Download - „Entwicklung von naturnahen Bindemitteln aus
„Entwicklung eines naturnahen Bindemittels aus
nachwachsenden Rohstoffen auf Proteinbasis zur Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten“
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie
der Georg-August-Universität Göttingen
vorgelegt von
CHRISTIAN SCHÖPPER
geboren in Coesfeld / Nordrhein-Westfalen
Themenbearbeitung am Lehrstuhl für Forstbotanik
Abteilung Molekulare Holzbiotechnologie und Technische Mykologie
der Georg-August-Universität Göttingen
D 7
1. Berichterstatter: Prof. Dr. A. KHARAZIPOUR
2. Berichterstatter: Prof. Dr. E. ROFFAEL
Tag der mündlichen Prüfung: 15.03.2006
Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde am Forstbotanischen Institut der GEORG-AUGUST-Universität
Göttingen in Zusammenarbeit mit der Fa. PFLEIDERER Holzwerkstoffe GmbH & Co. KG,
Neumarkt und der Fa. CERESTAR Deutschland, Krefeld unter Leitung von Herrn Prof. Dr. A.
Kharazipour angefertigt. Gefördert wurde diese Arbeit durch das BUNDESMINISTERIUM FÜR
VERBRAUCHERSCHUTZ, ERNÄHRUNG UND LANDWIRTSCHAFT (BMVEL) über die
FACHAGENTUR NACHWACHSENDE ROHSTOFFE (FNR) in Gülzow.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. A. Kharazipour für die Vergabe dieses
Dissertationsthemas und die sehr qualifizierte Betreuung, die in Form von zahlreichen
anregenden Fachgesprächen und vielen motivierenden Worten die Anfertigung dieser Arbeit
wesentlich unterstützt hat.
Für die tatkräftige Hilfe und die fachliche Unterstützung möchte ich mich bei allen
Mitarbeitern der Arbeitsgruppe Kharazipour recht herzlich bedanken. Insbesondere gilt mein
Dank Michael Reichel, Georg Geigl und Christian Bohn.
Für die zahlreichen Anregungen und fachlichen Ratschläge zur Durchführung der
radiometrischen Untersuchungen möchte ich mich beim gesamten Team des LARI recht
herzlich bedanken. Besonders seien hier Prof. Dr. J. Trojanowski und Marina Horstmann
genannt, durch die diese Versuche erst realisierbar wurden.
Für das sehr freundliche Arbeitsklima, die gute Zusammenarbeit und die Unterstützung bei
den analytischen Arbeiten möchte ich mich bei allen Kollegen des Instituts für Forstbotanik
bedanken. Besonders erwähnen möchte ich hier Karin Lange, Theres Riemekasten, Martin
Rühl, Burkhard Rüther und Carsten Boritzki.
Ich möchte mich ebenfalls bei Herrn Prof. Dr. E. Roffael dafür bedanken, dass er sich bereit
erklärt hat diese Arbeit als Zweitgutachter zu beurteilen.
Schließlich möchte ich mich noch besonders bei meiner Familie für die langjährige
Unterstützung bedanken, die es mir ermöglichten diesen Weg einzuschlagen. Bei meiner Frau
Cora möchte ich mich besonders dafür bedanken, dass sie mir in allen Belangen eine sehr
große Hilfe war und mir ihre Unterstützung stets gewiss war.
Inhaltsverzeichnis A
I. Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG .................................................................................................................. 1 1.1 ENTWICKLUNG DER FASERPLATTEN ..................................................................................................... 3 1.2 ZIELSETZUNGEN DER ARBEIT ............................................................................................................... 7
2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN.............................................................................. 9 2.1 HOLZ .................................................................................................................................................... 9
2.1.1 Anatomischer Aufbau des Holzes .................................................................................................. 9 2.1.2 Chemische Holzzusammensetzung .............................................................................................. 10 2.1.3 Aufbau der verholzten Zellwand.................................................................................................. 12
2.1.3.1 Lignin .................................................................................................................................................. 14 2.1.3.2 Cellulose.............................................................................................................................................. 15 2.1.3.3 Holzpolyosen....................................................................................................................................... 16
2.1.4 Nebenbestandteile des Holzes ...................................................................................................... 17 2.2 CHEMISCHE GRUNDSTOFFE IN DER HOLZWERKSTOFFINDUSTRIE........................................................ 19
2.2.1 Bindemittel.................................................................................................................................... 19 2.2.2 Bindemittelarten ........................................................................................................................... 22
2.2.2.1 Konventionelle Bindemittel................................................................................................................. 22 2.2.2.1.1 Harnstoff-Formaldehyd-Harze ....................................................................................................... 22 2.2.2.1.2 Phenol-Formaldehyd-Harze ........................................................................................................... 24 2.2.2.1.3 Melamin-Formaldehyd-Harze ........................................................................................................ 25 2.2.2.1.4 Klebstoffe auf der Basis polymerer Diisocyanate .......................................................................... 26
2.2.2.2 Naturnahe Bindemittel......................................................................................................................... 27 2.2.2.2.1 Tannine .......................................................................................................................................... 27 2.2.2.2.2 Enzyme .......................................................................................................................................... 28 2.2.2.2.3 Aktivierung der holzeigenen Bindestoffe....................................................................................... 29 2.2.2.2.4 Stärke ............................................................................................................................................. 30 2.2.2.2.5 Proteine .......................................................................................................................................... 31
2.2.3 Zugabestoffe ................................................................................................................................. 37 2.2.3.1 Hydrophobierungsmittel...................................................................................................................... 37 2.2.3.2 Härter und Beschleuniger .................................................................................................................... 38 2.2.3.3 Formaldehyd-Fängersubstanzen.......................................................................................................... 38 2.2.3.4 Fungizide............................................................................................................................................. 38
2.3 AUFSCHLUSSVERFAHREN VON HOLZ ZUR HERSTELLUNG VON FASERPLATTEN.................................. 39 2.3.1 Masonite- oder Dampfexplosions-Verfahren .............................................................................. 39 2.3.2 ASPLUND- oder Defibrator-Verfahren ......................................................................................... 40
2.4 HAUPTARBEITSSTUFEN BEI DER HERSTELLUNG VON MITTELDICHTEN FASERPLATTEN...................... 40 2.4.1 Verfahrensvarianten bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten ................................ 41
2.4.1.1 Nassverfahren...................................................................................................................................... 41 2.4.1.2 Halbtrockenverfahren.......................................................................................................................... 42 2.4.1.3 Trockenverfahren ................................................................................................................................ 42
2.5 DIN- UND EN- VORSCHRIFTEN FÜR HOLZFASERPLATTEN.................................................................. 42 2.6 HOLZABBAU DURCH WEIß-, BRAUN- UND MODERFÄULEERREGER..................................................... 44
2.6.1 Weißfäule...................................................................................................................................... 45 2.6.1.1 Selektive Delignifizierung................................................................................................................... 46 2.6.1.2 Simultane Fäule................................................................................................................................... 47
2.6.2 Braunfäule.................................................................................................................................... 49 2.6.3 Moderfäule ................................................................................................................................... 50
3 MATERIAL UND METHODEN ................................................................................. 53 3.1 ANALYTISCHE UNTERSUCHUNGEN ..................................................................................................... 53
3.1.1 Analytische Untersuchungen des Faserstoffes ........................................................................... 53 3.1.1.1 Siebkennlinien nach WIHS 74 ............................................................................................................ 54 3.1.1.2 RAPID-KÖTHEN-Blattbildner (DIN 54358)........................................................................................... 55 3.1.1.3 Bestimmung des Hemicellulosegehaltes im Industriefaserstoff .......................................................... 56 3.1.1.4 Bestimmung des Ligningehaltes im STEICO Fasermaterial .................................................................. 57
3.1.2 Morphologische Untersuchungen des Faserstoffes .................................................................... 59 3.1.2.1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Faserstoff.............................................................. 59
3.1.3 Analytische Untersuchungen der Bindemittel............................................................................. 60 3.1.3.1 Charakterisierung des Weizenprotein-Bindemittels der Fa. CERESTAR ............................................... 60
B Inhaltsverzeichnis
3.1.3.2 Viskositätsmessungen ......................................................................................................................... 61 3.1.3.2.1 Viskositäten des Harnstoff-Formaldehyd-Harz Bindemittels......................................................... 62 3.1.3.2.2 Viskositäten des Phenol-Formaldehyd-Harz Bindemittels............................................................. 63 3.1.3.2.3 Viskositäten der UF-Harz/Weizenprotein Bindemittel................................................................... 63 3.1.3.2.4 Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Bindemittel ................................................................... 64 3.1.3.2.5 Viskositäten des Weizenprotein Bindemittels ................................................................................ 64
3.1.3.3 Ermittlung der Stickstoffgehalte.......................................................................................................... 65 3.1.3.3.1 KJELDAHL-Methode (DIN EN 25663)............................................................................................ 65
3.2 HERSTELLUNG VON MITTELDICHTEN FASERPLATTEN IM PILOTMAßSTAB .......................................... 68 3.2.1 Anlagenteile der Pilot-MDF-Anlage ........................................................................................... 68
3.2.1.1 Beleimung ........................................................................................................................................... 69 3.2.1.1.1 Transportband / Muldengurtförderer.............................................................................................. 69 3.2.1.1.2 Beleimungsmischer ........................................................................................................................ 70 3.2.1.1.3 Leimpumpe .................................................................................................................................... 71
3.2.1.2 Trocknung ........................................................................................................................................... 72 3.2.1.2.1 Trocknereinheit .............................................................................................................................. 72 3.2.1.2.2 Speicher- und Zuführband.............................................................................................................. 74
3.2.1.3 Vliesbildung ........................................................................................................................................ 74 3.2.1.3.1 Faserbunker.................................................................................................................................... 74 3.2.1.3.2 Faserstreukopf................................................................................................................................ 75 3.2.1.3.3 Formband ....................................................................................................................................... 76
3.2.1.4 Verpressen/Konditionieren.................................................................................................................. 76 3.2.1.4.1 Heißpresse...................................................................................................................................... 76 3.2.1.4.2 Tischformatkreissäge und Langbandschleifmaschine .................................................................... 78
3.2.2 Herstellung von UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten........................................... 79 3.2.3 Herstellung von PF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten ........................................... 85 3.2.4 Herstellung von UF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten .................. 87 3.2.5 Herstellung von PF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten .................. 90 3.2.6 Herstellung von Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten .................................. 92
3.3 ERMITTLUNG DER MECHANISCH-TECHNOLOGISCHEN EIGENSCHAFTEN.............................................. 98 3.3.1 Universal-Prüfmaschine .............................................................................................................. 98 3.3.2 DIN-/EN-Vorgaben für die Prüfung von Mitteldichten Faserplatten...................................... 100
3.3.2.1 DIN EN 317 Bestimmung der Dickenquellung nach Wasserlagerung .............................................. 100 3.3.2.2 DIN EN 319 Bestimmung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene.......................................... 101 3.3.2.3 DIN EN 323 Bestimmung der Rohdichte .......................................................................................... 102 3.3.2.4 DIN EN 326-1 Probennahme, Zuschnitt und Überwachung.............................................................. 103 3.3.2.5 DIN EN 622-5 Anforderungen an Platten nach dem Trockenverfahren (MDF)................................ 104
3.3.3 Ermittlung der Formaldehydabgabe aus Mitteldichten Faserplatten ...................................... 105 3.3.3.1 Perforator-Methode (DIN EN 120) ................................................................................................... 105
3.4 MYKOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN AN MITTELDICHTEN FASERPLATTEN ...................................... 107 3.4.1 Holzabbauversuch Mitteldichten Faserplatten ......................................................................... 108 3.4.2 Holzabbau an radioaktiv markierten Mitteldichten Faserplatten (14C).................................... 110 3.4.3 Kompostierungsversuch an 14C markierten Mitteldichten Faserplatten .................................. 118
4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION........................................................................... 120 4.1 ANALYTISCHE UNTERSUCHUNGEN ................................................................................................... 120
4.1.1 Ergebnisse der analytischen Untersuchungen des Faserstoffes............................................... 120 4.1.1.1 Siebkennlinien nach WIHS 74 .......................................................................................................... 120 4.1.1.2 RAPID-KÖTHEN-Blattbildner .............................................................................................................. 122 4.1.1.3 Hemicellulosegehalt .......................................................................................................................... 123 4.1.1.4 Ligningehalt ...................................................................................................................................... 125
4.1.2 Ergebnisse der morphologischen Untersuchungen des Faserstoffes ....................................... 126 4.1.3 Ergebnisse der analytischen Untersuchungen der Bindemittel................................................ 129
4.1.3.1 Charakterisierung des Weizenproteins der Fa. CERESTAR ................................................................. 129 4.1.3.1.1 Ermittlung der Inhaltstoffe im Weizenprotein.............................................................................. 130 4.1.3.1.2 Viskositäten des Weizenproteins aus der laufenden Produktion .................................................. 133
4.1.3.2 Viskositäten der untersuchten Bindemittel und Leimflotten.............................................................. 135 4.1.3.2.1 Viskositäten des Harnstoff-Formaldehyd-Harz-Leims Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF....... 135 4.1.3.2.2 Viskositäten des Phenol-Formaldehyd-Harz Bindemittels 1808 HW der Fa. BAKELITE.............. 136 4.1.3.2.3 Viskositäten der UF-Harz/Weizenprotein Bindemittel................................................................. 138 4.1.3.2.4 Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Bindemittel ................................................................. 141 4.1.3.2.5 Viskosität der Weizenprotein-Suspension.................................................................................... 144
4.1.3.3 Stickstoffgehalte der untersuchten Bindemittel ................................................................................. 146 4.1.3.3.1 Stickstoffgehalte des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF........ 146 4.1.3.3.2 Stickstoff- und Proteingehalte der Weizenprotein-Suspension .................................................... 147
4.2 HERSTELLUNG VON MITTELDICHTEN FASERPLATTEN IM PILOTMAßSTAB ........................................ 149
Inhaltsverzeichnis C
4.2.1 Ergebnisse der Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Referenzplatten ................ 149 4.2.2 Ergebnisse der Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Referenzplatten .................... 154 4.2.3 Ergebnisse der UF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten .................. 159 4.2.4 Ergebnisse der PF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten .................. 173 4.2.5 Ergebnisse der mit Weizenprotein hergestellten Mitteldichten Faserplatten ........................... 184
4.2.5.1 Fazit der mechanisch-technologischen Eigenschaften Weizenprotein gebundener MDF-Platten unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten........................................................................................................................... 199
4.3 MYKOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN AN MITTELDICHTEN FASERPLATTEN ...................................... 200 4.3.1 Holzabbauversuch an Mitteldichten Faserplatten .................................................................... 200 4.3.2 Holzabbau an 14C markierten Mitteldichten Faserplatten........................................................ 206 4.3.3 Kompostierung von 14C-U markierten Mitteldichten Faserplatten .......................................... 231
5 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................................. 235
6 AUSBLICK................................................................................................................... 239
7 LITERATURVERZEICHNIS .................................................................................... 240
8 ANHANG ...................................................................................................................... 252 8.1 BERECHNUNGEN ANALYTIK ............................................................................................................. 252
8.1.1 Pentosanbestimmung ................................................................................................................. 252 8.1.1.1 Probeneinwaage ................................................................................................................................ 252 8.1.1.2 Pentosangehalt................................................................................................................................... 252
8.1.2 Ligninbestimmung ..................................................................................................................... 253 8.1.2.1 Probeneinwaage ................................................................................................................................ 253 8.1.2.2 Ligningehalt ...................................................................................................................................... 253
8.1.3 Ermittlung rheologischer Eigenschaften .................................................................................. 253 8.1.3.1 Dynamische Viskosität...................................................................................................................... 253
8.1.4 Bestimmung des Stickstoffgehaltes............................................................................................ 254 8.1.4.1 Berechnung nach KJELDAHL.............................................................................................................. 254
8.2 BERECHNUNGEN ZUR HERSTELLUNG VON MITTELDICHTEN FASERPLATTEN.................................... 255 8.2.1 Volumen und Rohdichte der herzustellenden Mitteldichten Faserplatten ............................... 255 8.2.2 Unbeleimte Faserfeuchte ........................................................................................................... 255 8.2.3 Fasermenge lutro / atro.............................................................................................................. 255 8.2.4 Leimmenge lutro / atro............................................................................................................... 256 8.2.5 Beleimungszeit / Pumpgeschwindigkeit..................................................................................... 256 8.2.6 Theoretische Feuchte ................................................................................................................. 257 8.2.7 Fasereinwaage / Ausgleichsfeuchte........................................................................................... 257
8.3 BERECHNUNGEN ZUR ERMITTLUNG DER MECHANISCH-TECHNOLOGISCHEN EIGENSCHAFTEN VON MITTELDICHTEN FASERPLATTEN .................................................................................................................... 258
8.3.1 Berechnung der Dickenquellung nach Wasserlagerung (DIN EN 317).................................. 258 8.3.2 Berechnung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene (DIN EN 319) .............................. 258 8.3.3 Berechnung der Rohdichte (DIN EN 323) ................................................................................ 259 8.3.4 Berechnung der Formaldehydabgabe von Holzwerkstoffen (DIN EN 120) ............................ 259
8.4 BERECHNUNGEN MYKOLOGIE .......................................................................................................... 260 8.4.1 Zusammensetzung von Nährmedien ......................................................................................... 260
8.4.1.1 BSM-Nährmedium ............................................................................................................................ 260 8.4.1.2 Raulin-Nährmedium.......................................................................................................................... 260 8.4.1.3 MYA-Nährmedium ........................................................................................................................... 261 8.4.1.4 MPA-Nährmedium............................................................................................................................ 261
D Abbildungsverzeichnis
II. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1: MDF-Produktion von 1986 bis 2004 (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004) .................. 6 Abbildung 1-2: Verwendungszwecke für MDF-Platten (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004) ............... 7 Abbildung 2-1: Übersicht über die chemischen Holzbestandteile (LOHMANN, 1998) .......................................... 11 Abbildung 2-2: Strukturmodell von Fichtenlignin (ADLER, 1977) ....................................................................... 14 Abbildung 2-3: Struktur der Cellulose (KHARAZIPOUR, 1996) ............................................................................. 15 Abbildung 2-4: Struktur der Hemicellulose (KHARAZIPOUR, 1996) ..................................................................... 16 Abbildung 2-5: Anteile der petrolchemischen Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten
(EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004) ........................................................................................... 21 Abbildung 2-6: Reaktion von Harnstoff und Formaldehyd zu UF-Harz (DEPPE und ERNST, 1996) .................... 23 Abbildung 2-7: Reaktion von Phenol und Formaldehyd (DEPPE und ERNST, 1996)............................................. 24 Abbildung 2-8: Reaktion von Melamin und Formaldehyd (ADAM, 1988)............................................................ 25 Abbildung 2-9: Diphenylmethan-4.4´-Diisocyanat (DEPPE und ERNST, 1996) ..................................................... 27 Abbildung 2-10: Prozentuale Weizenbestandteile (CERESTAR, 2004) .................................................................. 36 Abbildung 2-11: Stadien der selektiven Delignifizierung (A-D) eines Weißfäuleerregers (SCHWARZE et al., 1999)
..................................................................................................................................................................... 46 Abbildung 2-12: Stadien der simultanen Fäule (A-D) eines Weißfäuleerregers (SCHWARZE et al., 1999)........... 48 Abbildung 2-13: Entwicklungsstadien (A-D) einer Braunfäule (SCHWARZE et al., 1999).................................... 50 Abbildung 2-14: Holzzersetzungsmuster von Moderfäule- erregern (SCHWARZE et al., 1999) ............................ 51 Abbildung 3-1: Natives Weizenprotein der Fa. CERESTAR................................................................................... 60 Abbildung 3-2: Rotor-Stator-Prinzip bei der Verdrängerpumpe (Fa. NETZSCH, 1998)......................................... 72 Abbildung 3-3: Prüfkörper für die Messung der Dickenquellung....................................................................... 100 Abbildung 3-4: Messstellen für die Ermittlung der Seitenlängen und der Dicke des Prüfkörpers...................... 103 Abbildung 3-5: Schematischer Schnittplan für die Probennahme bei Holzwerkstoffen ..................................... 103 Abbildung 4-1: Graphische Darstellung der Siebkennlinien des STEICO-Faserstoffes ....................................... 122 Abbildung 4-2: RAPID-KÖTHEN-Blattbildner aus STEICO-Faserstoff, Nahaufnahme.......................................... 123 Abbildung 4-3: Graphische Darstellung der Pentosangehalte im STEICO-Industriefaserstoff ............................ 124 Abbildung 4-4: Graphische Darstellung der ermittelten Ligningehalte im STEICO-Faserstoff ........................... 126 Abbildung 4-5: REM-Aufnahme des nativen Industriefaserstoffes der Fa. STEICO, 710-fache Vergrößerung... 127 Abbildung 4-6: REM-Aufnahme von UF-Harz beleimtem und getrocknetem Fasermaterial, 1420-fache
Vergrößerung............................................................................................................................................. 128 Abbildung 4-7: REM-Aufnahme von unverpresstem, mit Weizenprotein beleimten Faserstoff, 710-fache
Vergrößerung............................................................................................................................................. 128 Abbildung 4-8: Entstehung des Weizenproteins bei der Gewinnung von Vitalgluten und Stärke aus Triticum
aestivum (CERESTAR, 2004) ...................................................................................................................... 129 Abbildung 4-9: Veränderung des Feststoffgehaltes in der Weizenprotein-Suspension ...................................... 130 Abbildung 4-10: Durchschnittliche prozentuale Zusammensetzung der Weizenprotein-Suspension bezogen auf
Trockengewicht (CERESTAR, 2004) ........................................................................................................... 133 Abbildung 4-11: Viskositäten des Weizenproteins aus der Produktion im CERESTAR Werk/Barby................... 134 Abbildung 4-12: Viskositäten der BASF Bindemittels Kauritec® 407® flüssig ohne Zugabe von Paraffin und mit
1% HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL............................................................... 135 Abbildung 4-13: Viskositäten des PF-Harzes 1808 HW der Fa. BAKELITE ohne Zugabestoffe und mit 1 %
HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX 730 ............................................................................................ 137 Abbildung 4-14: Viskositäten der UF-Harz/WP Mischkondensate (75/25) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX
730............................................................................................................................................................. 139 Abbildung 4-15: Viskositäten der UF-Harz/WP Mischkondensate (50/50) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX
730............................................................................................................................................................. 140 Abbildung 4-16: Viskositäten der UF-Harz/Weizenprotein Mischkondensate (25/75) mit HYDROWAX 138 und
HYDROWAX 730........................................................................................................................................ 141 Abbildung 4-17: Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Mischkondensate (50/50) mit HYDROWAX 138 und
HYDROWAX 730........................................................................................................................................ 142 Abbildung 4-18: Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Mischkondensate (25/75) mit HYDROWAX 138 und
HYDROWAX 730........................................................................................................................................ 143 Abbildung 4-19: Viskositäten des Weizenproteins der Fa. CERESTAR ohne Paraffine und mit 1 % HYDROWAX
138 bzw. 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................. 145 Abbildung 4-20: Graphische Darstellung der Gesamtstickstoffgehalte im UF-Harz Kauritec® 407 flüssig der Fa.
BASF......................................................................................................................................................... 147 Abbildung 4-21: Graphische Darstellung der Stickstoff- und Gesamtproteingehalte im Weizenprotein ........... 149
Abbildungsverzeichnis E
Abbildung 4-22: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm bis 18 mm starken UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten ohne Hydrophobierungsmittel ........................................................................ 151
Abbildung 4-23: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm bis 18 mm starken UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten mit HYDROWAX 138....................................................................................... 152
Abbildung 4-24: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm bis 18 mm starken UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten mit HYDROWAX 730....................................................................................... 152
Abbildung 4-25: Formaldehydemissionen aus 10 mm starken mit Kauritec 407® flüssig gebundenen MDF-Platten nach der Perforator-Methode......................................................................................................... 153
Abbildung 4-26: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF-Harz gebundenen MDF-Platten ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln ................................................................................................................... 155
Abbildung 4-27: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF-Harz gebundenen MDF-Platten unter Verwendung von HYDROWAX 138 ........................................................................................................... 156
Abbildung 4-28: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF-Harz gebundenen MDF-Platten unter Verwendung von HYDROWAX 730 ........................................................................................................... 157
Abbildung 4-29: Formaldehydemissionen der 10 mm starken MDF-Platten gebundenen mit Phenol-Formaldehyd-Harz vom Typ 1808 HW der Fa. BAKELITE........................................................................ 158
Abbildung 4-30: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel ............................................................................................................................ 160
Abbildung 4-31: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138 ................................................................................................................................... 161
Abbildung 4-32: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................................... 162
Abbildung 4-33: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel ............................................................................................................................ 164
Abbildung 4-34: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138 ................................................................................................................................... 165
Abbildung 4-35: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................................... 166
Abbildung 4-36: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel ............................................................................................................................ 168
Abbildung 4-37: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138 ................................................................................................................................... 169
Abbildung 4-38: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................................... 170
Abbildung 4-39: Formaldehydemissionen aus den mit Mischkondensaten aus UF-Harz und WP hergestellten, 10 mm starken MDF-Platten nach der Perforator-Methode ........................................................................... 171
Abbildung 4-40: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel ............................................................................................................................ 174
Abbildung 4-41: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138 ................................................................................................................................... 175
Abbildung 4-42: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................................... 176
Abbildung 4-43: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel ............................................................................................................................ 177
Abbildung 4-44: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138 ................................................................................................................................... 178
Abbildung 4-45: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................................... 179
Abbildung 4-46: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel ............................................................................................................................ 180
Abbildung 4-47: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138 ................................................................................................................................... 181
Abbildung 4-48: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730 ................................................................................................................................... 182
Abbildung 4-49: Formaldehydemissionen aus den mit Mischkondensaten aus PF-Harz und WP hergestellten, 10 mm starken MDF-Platten nach der Perforator-Methode ........................................................................... 183
Abbildung 4-50: Presszeitoptimierung bei 10 mm starken mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab (SCHÖPPER, 2003)....................................................................................... 184
Abbildung 4-51: Temperaturverlauf in der Plattenmitte einer 10 mm starken mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platte während des Heißpressens in der Pilotpresse der Fa. SIEMPELKAMP (SCHÖPPER, 2003)....... 186
Abbildung 4-52: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 187
F Abbildungsverzeichnis
Abbildung 4-53: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 6 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 189
Abbildung 4-54: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 8 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 190
Abbildung 4-55: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 10 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 192
Abbildung 4-56: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 12 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 193
Abbildung 4-57: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 14 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 195
Abbildung 4-58: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 16 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 196
Abbildung 4-59: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 18 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 198
Abbildung 4-60: Formaldehydemissionen aus den Weizenprotein gebundenen MDF-Platten nach der Perforator-Methode (DIN EN 120)............................................................................................................................. 198
Abbildung 4-61: Überwachsungsgrade der Weizenprotein gebundenen MDF-Platten mit (PF 1–45) und ohne (P 1-45) Fungizid ........................................................................................................................................... 201
Abbildung 4-62: Überwachsungsgrade der UF-Harz gebundenen MDF-Platten mit (UFF 1-45) und ohne (UF 1-45) Fungizid .............................................................................................................................................. 202
Abbildung 4-63: Durchschnittliche Holzzerstörung der mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platten mit (PF 1-45) und ohne (P 1-45) Fungizid................................................................................................................. 203
Abbildung 4-64: Durchschnittliche Holzzerstörung der mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten mit (UFF 1-45) und ohne (UF 1-45) Fungizid............................................................................... 204
Abbildung 4-65: Holzzersetzung an den 14C-U markierten UF-Harz gebundenen MDF durch Trametes versicolor................................................................................................................................................................... 207
Abbildung 4-66: Holzzersetzung an den 14C-U markierten UF-Harz gebundenen MDF durch Coniophora puteana ...................................................................................................................................................... 208
Abbildung 4-67: Holzzersetzung an den 14C-U markierten UF-Harz gebundenen MDF durch Trichoderma viridae........................................................................................................................................................ 209
Abbildung 4-68: Holzabbau durch Trametes versicolor an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF ......... 210 Abbildung 4-69: Holzzersetzung durch Coniophora puteana an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-
Proben........................................................................................................................................................ 211 Abbildung 4-70: Holzzerstörung durch Trichoderma viridae an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-
Platten........................................................................................................................................................ 211 Abbildung 4-71: Holzabbau durch Trametes villosa an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-Proben .. 212 Abbildung 4-72: Holzdegradation durch Chaetomium globosum an Protein gebundenen 14C-U markierten
Mitteldichten Faserplatten ......................................................................................................................... 213 Abbildung 4-73: Masseverluste und Ergebnisse der 14C-Messung der Proben WP I bis X während der
Degradation durch Holzzerstörende Pilze ................................................................................................. 215 Abbildung 4-74: Abbau des 14C-U-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes
versicolor................................................................................................................................................... 216 Abbildung 4-75: Abbau des 14C-U-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes versicolor
................................................................................................................................................................... 217 Abbildung 4-76: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Coniophora puteana
................................................................................................................................................................... 219 Abbildung 4-77: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Coniophora puteana219 Abbildung 4-78: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Trichoderma viridae
................................................................................................................................................................... 222 Abbildung 4-79: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Trichoderma viridae222 Abbildung 4-80: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes villosa . 224 Abbildung 4-81: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes villosa...... 225 Abbildung 4-82: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Chaetomium
globosum ................................................................................................................................................... 227 Abbildung 4-83: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Chaetomium globosum
................................................................................................................................................................... 228 Abbildung 4-84: Ergebnisse der Kompostierungsversuche mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platten........ 231 Abbildung 4-85: Masseverluste der MDF-Platten während des Kompostierungsversuches............................... 233
Tabellenverzeichnis G
III. Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Aufbau der verschiedenen Gewebearten bei Laub- und Nadelhölzern (LOHMANN, 1998)............... 10 Tabelle 2-2: Elementarzusammensetzung des Holzes (LOHMANN, 1998) ............................................................ 11 Tabelle 2-3: Chemische Hauptbestandteile von Baumarten der gemäßigten Zone (LOHMANN, 1998)................. 12 Tabelle 3-1: Vorschriften für die Trockene Siebfraktionierung nach WIHS 74 ................................................... 55 Tabelle 3-2: Arbeitsschritte und chemische Reaktionen bei der KJELDAHL-Methode (www.kmf-
laborchemie.de/pdf/Kjeldahl_de1.pdf, 14.12.2005) .................................................................................... 66 Tabelle 3-3: Parameter zur Anfertigung der UF-Harz gebundenen Referenzplatten (Varianten I bis III) ............ 81 Tabelle 3-4: Herstellungsparameter für die UF-Harz gebundenen Referenzplatten (Varianten IV bis VI) .......... 82 Tabelle 3-5: Parameter für die UF-Harz gebundenen Referenzplatten (Varianten VII und VIII)......................... 83 Tabelle 3-6: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Herstellung von UF-Harz gebundenen MDF-
Platten in den Stärken 4 bis 18 mm und einer Rohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002)...................... 84 Tabelle 3-7: Herstellungsparameter der Referenz-Faserplatten gebundenen mit Phenol-Formaldehyd-Harz ...... 86 Tabelle 3-8: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung der 10 mm starken, PF-Harz
gebundenen MDF-Platten mit einer Rohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002) ..................................... 87 Tabelle 3-9: Herstellungsparameter der mit Mischkondensaten aus Urease-Formaldehyd-Harz der Fa. BASF und
Weizenprotein der Fa. CERESTAR gebundenen MDF-Platten...................................................................... 88 Tabelle 3-10: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung von 10 mm starken MDF-
Platten mit einer Zielrohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002) .............................................................. 89 Tabelle 3-11: Herstellungsparameter der mit Mischkondensaten aus Phenol-Formaldehyd-Harz und
Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten............................................................................... 91 Tabelle 3-12: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung von 10 mm starken MDF-
Platten mit einer Rohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002) ................................................................... 92 Tabelle 3-13: Parameter zur Anfertigung der WP gebundenen MDF-Platten (Varianten I bis III) ...................... 94 Tabelle 3-14: Herstellungsparameter für die WP gebundenen MDF-Platten (Varianten IV bis VI) .................... 95 Tabelle 3-15: Parameter für die WP gebundenen Faserplatten (Varianten VII und VIII)..................................... 96 Tabelle 3-16: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Herstellung von Weizenprotein gebundenen
MDF-Platten in den Stärken 4 bis 18 mm und einer Rohdichte von 800 kg/m³.......................................... 97 Tabelle 3-17: Mindestzahl m von kleinen Prüfkörpern, die aus jeder einzelnen Platte herzustellen sind........... 104 Tabelle 3-18: Anforderungen an MDF-Platten für allgemeine Zwecke zur Verwendung im Trockenbereich
(DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998)................................................................................... 105 Tabelle 3-19: Angesetzte Nährmedien zur Anzucht der unterschiedlichen Holzabbauenden Pilze.................... 109 Tabelle 3-20: Überwachsungsgrad des Mycels modifiziert nach SHEKHOLESLAMI (1986) ................................ 110 Tabelle 3-21:Nährmedien und Pilze für den Holzabbauversuch mit 14C-U markierten MDF-Platten ................ 111 Tabelle 3-22: Mit 14C-U-markiertem Holz und UF-Harz hergestellte MDF-Proben .......................................... 113 Tabelle 3-23: Versuchsaufbau für die mit 14C-U-markiertem Holz und UF-Harz hergestellten MDF-Platten... 113 Tabelle 3-24: Mit 14C-U-markiertem Holz und Weizenprotein hergestellte MDF-Proben................................. 114 Tabelle 3-25: Versuchsaufbau für die mit 14C-U-markierten Buchenspänen und WP hergestellten MDF-Platten
................................................................................................................................................................... 114 Tabelle 3-26: Mit 14C-U-Cellulose-markiertem Material und Weizenprotein hergestellte MDF-Proben........... 115 Tabelle 3-27: Mit 14C-U-Cellulose markierte und mit WP hergestellte MDF-Platten ........................................ 115 Tabelle 3-28: Mit 14C-U-Lignin-markiertem Material und Weizenprotein hergestellte MDF-Proben ............... 116 Tabelle 3-29: Mit 14C-U-Lignin markiertem Material und WP hergestellte MDF-Platten ................................. 116 Tabelle 3-30: Für den Kompostierungsversuch hergestellte 14C-U-markierte MDF-Platten .............................. 118 Tabelle 3-31: Versuchsaufbau des Kompostierungsversuches an 14C-U-markierten MDF-Platten.................... 119 Tabelle 4-1: Siebkennlinien des STEICO-Faserstoffes nach WIHS 74 ................................................................ 121 Tabelle 4-2: Ergebnisse der Pentosanbestimmung des STEICO-Faserstoffes ...................................................... 124 Tabelle 4-3: Ergebnisse der Ligninbestimmung des STEICO-Faserstoffes nach HALSE (1940) .......................... 125 Tabelle 4-4: Titrationsergebnisse der Stickstoffbestimmung des UF-Harzes Kauritec® 407 flüssig der Fa. BASF
nach KJELDAHL.......................................................................................................................................... 146 Tabelle 4-5: Titrationsergebnisse der Stickstoffbestimmung im Weizenproteins der Fa. CERESTAR nach
KJELDAHL .................................................................................................................................................. 148 Tabelle 4-6: Abbauverhältnisse zwischen 14C-U markierter Cellulose und 14C-U markiertem Lignin bei den
verwendeten Weißfäule-, Braunfäule und Moderfäuleerregern................................................................. 230 Tabelle 8-1: Zusammensetzung des BSM-Nährmediums................................................................................... 260 Tabelle 8-2: Zusammensetzung Raulin-Nährmedium......................................................................................... 260 Tabelle 8-3: Zusammensetzung MYA-Nährmedium.......................................................................................... 261 Tabelle 8-4: Zusammensetzung MPA-Nährmedium........................................................................................... 261
H Abkürzungsverzeichnis
IV. Abkürzungsverzeichnis
% Prozent
°C Grad Celsius
µg Mikrogramm
µl Mikroliter 14C-U-Cellulose-markiert Nur Cellulose im Material mit 14C markiert 14C-U-Lignin-markiert Nur Lignin im Material mit 14C markiert 14C-U-markiert Einheitlich mit 14C markiertes Material
ABTS 2,2´-Azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)
Atro Absolut trocken
B Breite
Bar Maßangabe des Luftdrucks
Bq Becquerel
ca. Circa
cm Zentimeter
cm² Quadratzentimeter
cm³ Kubikzentimeter
dest. Destilliert
DIN Deutsches Institut für Normung e. V.
DMS Dehnungsmessstreifen
dpm Disintegration per minute
F**** F Four Star, Japanischer Standard der Formaldehydemission
g Gramm
h Stunde
ha Hektar
Hz Hertz, Maßeinheit der Frequenz (1 Hz 1 Schwingung / s)
kg Kilogramm
kN Kilonewton
L Liter
l Länge
LARI Labor für Radioisotope
Lutro Lufttrocken
M Molarität
m Meter
m / m Prozent des Gewichts (Masse zu Masse)
Abkürzungsverzeichnis I
m³ Kubikmeter
MDF Medium Density Fibreboard (Mitteldichte Faserplatte)
mg Milligramm
Min. Minute
Mio. Millionen
ml Milliliter
mol Mol
mPa·s Millypascalsekunde
Mrd. Milliarden
MUF-Harz Melamin verstärkte Harnstoff-Formaldehyd-Harze
N Normalität
N / mm Newton pro Millimeter
N / mm² Newton pro Quadratmillimeter
Nr. Nummer
OSB Oriented Strand Board
Pa·s Pascalsekunde
PF-Harz Phenol-Formaldehyd-Harze
pH Negativ dekadischer Logarithmus der Protonenkonzentration
PMDI Klebstoffe auf Basis von polymeren Diisocyanaten
Ppm Parts per million
REM Rasterelektronenmikroskop
Rpm Rounds per minute
s Sekunden
Sek. Sekunde
t Tonne
Tab. Tabelle
TG Trockengewicht
U / min Umdrehungen pro Minute
UF-Harz Urease-Formaldehyd-Harz ( Harnstoff-Formaldehyd-Harz)
V Volt
WKI Willhelm-Klauditz-Institut
WP Weizenprotein-Suspension
z. T. zum Teil
Einleitung 1
1 Einleitung
Nachhaltigkeit ist heute ein zentraler Punkt in der Forst- und Holzwirtschaft bei der Nutzung
der bestehenden Holzvorkommen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei, impliziert durch die
Industrialisierung und die damit verbundene Verknappung der fossilen Rohstoffe und des
Rohstoffes Holz, eine sinnvolle Nutzung bzw. Veredelung bestimmter Sortimente. Dazu
gehören beispielsweise Schwachhölzer und Holzabfälle sowie auch Holz aus
Jungwuchsdurchforstungen. Diese Sortimente, die bei der Waldbewirtschaftung und
Holzverarbeitung anfallen, blieben anfänglich ungenutzt. Durch den Einsatz der oben
genannten Sortimente konnte sich im Laufe der Zeit die Span- und Faserplattenindustrie
entwickeln (VON TROTHA, 2005). Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Holzwerkstoffen
können durch den Einsatz dieser Sortimente Rohholzmengen substituiert und somit
kostenintensive Importe aus Übersee reduziert werden.
Allein in der Bundesrepublik Deutschland werden durch die Spanplattenindustrie und
Faserplattenindustrie mindestens 140 Mio. ha tropischer Regenwald pro Jahr verschont, der
sonst zur Deckung des aus Mitteleuropa nicht zu beschaffenden Schnittholzes abgeholzt
würde (HÜTTERMANN et al., 1990). Aus ökologischer Sicht nimmt neben der Nachhaltigkeit,
begründet in der Verknappung der fossilen Rohstoffvorkommen und Energieressourcen, die
Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen bei der Produktion von Holzwerkstoffen eine
immer wichtigere Position ein. Ziel der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem
Sektor der Holzwerkstoffindustrie ist die Entwicklung eines Werkstoffes, der vollständig aus
nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden kann und dabei die gleichen bzw. bessere
Eigenschaften aufweist, als die zur Zeit mit konventionellen Bindemitteln hergestellten
Produkte dieser Industriezweige.
Als nachwachsende Rohstoffe werden organische Stoffe aus land- und forstwirtschaftlichen
Nutzpflanzen bezeichnet, die unterschieden werden nach KRUSENBAUM (1991) in Werk-,
Faser- und Gerüststoffe, Chemieroh- und Chemiegrundstoffe sowie Heiz- und Kraftstoffe.
Holz zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen und findet in der Holzwerkstoffindustrie eine
breite Verwendung. Holzwerkstoffe geraten jedoch trotz des Einsatzes von nachwachsenden
Rohstoffen aus einer nachhaltigen Forstwirtschaft immer mehr in die Kritik. Die Gründe dafür
liegen bei der Herstellung und der Art der verwendeten, konventionellen Bindemittel. Die am
häufigsten zur Herstellung von Holzwerkstoffen verwendeten Bindemittel (siehe dazu auch
Kapitel 2.2.2) sind Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Klebstoffe auf Basis von polymeren
2 Einleitung
Diisocyanaten und Phenol-Formaldehyd-Harze. Diese Bindemittel werden überwiegend bzw.
fast ausschließlich auf petrolchemischer Basis hergestellt, wodurch der Verbrauch fossiler
Rohstoffquellen vorangetrieben wird. Durch die ständig steigenden Rohölpreise, sowie die
Abhängigkeit der Holzwerkstoffindustrie von diesen petrolchemischen Bindemitteln,
verteuerten sich die hergestellten Holzwerkstoffe in den letzten Jahren erheblich. Die
Bindemittelkosten können bei der Herstellung von Holzwerkstoffen bis zu 20 %, je nach Art
und Menge des verwendeten Bindemittels, der gesamten Herstellungskosten ausmachen
(KHARAZIPOUR, 2004). Der Formaldehyd (HCHO) ist bei diesen konventionellen
Bindemitteln ein wichtiger Bestandteil, da er für die meisten Klebstoffe als Reaktionspartner
dient.
Ein weiterer Nachteil von Formaldehyd ist, dass neben dem natürlichen Vorkommen von
Formaldehyd während der Trocknung von Holz, z.B. in Form von Spänen und Fasern, auch
bei der Herstellung, Lagerung und Verwendung konventionell hergestellter Holzwerkstoffe,
geringe Mengen an Formaldehyd freigesetzt werden (ROFFAEL, 1982; SUNDIN und ROFFAEL,
1989; ROFFAEL et al., 1993). In Verbindung mit Holzwerkstoffen ist Formaldehyd vor allem
als Inhalationsstoff von Bedeutung. Aufgrund seiner Reaktivität wird er sehr schnell
umgesetzt und kann bei entsprechender Konzentration zu Reizungen der Schleimhäute, der
Augen und der Haut führen. Akute lebensgefährliche Konzentrationen sind im
Zusammenhang mit Holzwerkstoffen nicht dokumentiert worden (WAGNER, 1997). Der
menschliche Körper akkumuliert den Formaldehyd nicht, sondern spaltet ihn im Blut und in
der Leber über entsprechende Enzyme. Formaldehyd wird zu Essig-, Propion- und
Ameisensäure umgewandelt und kann entweder im Urin ausgeschieden oder zu Kohlenstoff
und Wasser metabolisiert werden. Im Sommer 2004 jedoch wurde Formaldehyd aufgrund
einiger durchgeführter Untersuchungen in den USA von der International Agency for
Research on Cancer (IARC) als karzinogen eingestuft (IARC, 2004). Aufgrund dieser
Ergebnisse wurde eine Reklassifizierung des Formaldehyds von „krebsverdächtig“ zu
„krebserregend“ durch das IARC empfohlen (THOLE, 2006) Bei den durchgeführten
Untersuchungen in amerikanischen Betrieben der Holzwerkstoffindustrie wurde eine selten
auftretende Form von Nasenkrebs attestiert, die nach dem aktuellen Stand der
Untersuchungen auf sehr hohe Formaldehydkonzentrationen in den Produktionsstätten
zurückzuführen ist (MARUTZKY, 2005).
Für die Holz be- und verarbeitenden Betriebe, besonders die Holzwerkstoffindustrie, ist die
Entwicklung von naturnahen Bindemitteln aus nachwachsenden Rohstoffen ein wichtiges
Einleitung 3
Kriterium, das unter anderem in den kommenden Jahren auch über die Wettbewerbsfähigkeit
der einzelnen Unternehmen entscheiden wird. Allein für die Herstellung von Span- und
Faserplatten werden in der Bundesrepublik Deutschland zur Zeit jährlich ca. 750.000 t
Kunstharze verwendet (KHARAZIPOUR, 2004). Die Holzwerkstoffindustrie ist somit der größte
und zugleich wichtigste Abnehmer von technischen Bindemitteln. Aufgrund dieser Tatsachen
sind Bestrebungen seitens der Bindemittelhersteller zu erkennen, formaldehydarme bzw.
formaldehydfreie Bindemittel für die Herstellung von Holzwerkstoffen zu entwickeln. Zurzeit
wird bereits von einigen Herstellern technischer Bindemittel vorgeschlagen, den sehr geringen
Japanischen Formaldehydstandard, den so genannte F****, auch als Europäischen Standard für
Span- und Faserplatten anzustreben (DUNKY, 2005).
Eine zukunftsorientierte Produktion unter Verwendung nachhaltiger Rohstoffe, welche die
Holzwerkstoffindustrie bereits heute vorbildlich durch die Verwendung verschiedener
Sortimente in Bezug auf den Rohstoff Holz realisiert hat, muss in Zukunft auch auf die zur
Herstellung der Holzwerkstoffe notwendigen Bindemittel ausgedehnt werden. Bei der
Entwicklung eines naturnahen Bindmittels aus nachwachsenden Rohstoffen sollen jedoch
nicht nur unternehmenspolitische Aspekte sondern auch die Ansprüche der Verbraucher an
innovative Holzwerkstoffe berücksichtigt werden.
Dabei werden durch den Einsatz von naturnahen Bindemitteln aus nachwachsenden
Rohstoffen zur Herstellung von Holzwerkstoffen sowohl eine kostenoptimierte Produktion
realisiert als auch die bestehende Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen gewährleistet, da
durch die Verwendung dieser Bindemittel keine Abhängigkeit mehr vom Rohöl und den
daraus hergestellten Produkten besteht. Des Weiteren bietet die Verwendung naturnaher
Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen den Holzwerkstoffunternehmen die Möglichkeit
zu umweltpolitisch akzeptierten Produktionsverfahren sowie durch die Herstellung und den
Verkauf gesundheitlich unbedenklicher, formaldehydfreier Produkte zu einer breiteren
Akzeptanz in der Bevölkerung.
1.1 Entwicklung der Faserplatten
Natürliches Holz weist in vielen Anwendungsbereichen deutliche Nachteile gegenüber
Holzwerkstoffen auf. Ein bekanntes Beispiel ist die Anisotropie des Vollholzes, die sich in
unterschiedlichen Anwendungsbereichen negativ auswirkt und somit eine Verwendung von
4 Einleitung
Vollholz für bestimmte Zwecke ausschließt. Ein weiteres Kriterium sind die Festigkeiten von
gewachsenem Holz und Holzwerkstoffen. So beträgt die Festigkeit quer zur Faser nur ca. 1/20
bis 1/10 der Festigkeit längs zur Faser (NOWAK et al., 1949). Vollholz hat jedoch Vorteile bei
einer Beanspruchung längs zur Faser, aber zum Einsatz als Flächenelement ist es nicht
geeignet.
Ziel der Holztechnologie ist es daher, flächige und homogene Werkstoffe aus Holz zu
entwickeln, die gute Eigenschaften zur Beanspruchung als Flächenelement aufweisen. Der
Begriff Holzwerkstoffe umfasst unterschiedliche Produkte, die auf der Basis von mechanisch
zerkleinertem bzw. aufgeschlossenem Holz (Furnieren, Spänen, Fasern) entstehen, dass unter
Verwendung von Bindemitteln, Druck und Hitze wieder zusammengefügt wird. Durch die
Umwandlung des Holzes in Holzwerkstoffe wird die Anisotropie des Vollholzes, das Quellen
und Schwinden unter Feuchtigkeits- und Temperatureinfluss, zum größten Teil aufgehoben
(KIRCHNER und KHARAZIPOUR, 1999).
Die Gruppe der wichtigsten, weltweit produzierten Holzwerkstoffe bildet sich aus:
Spanplatten und Spanformteilen
Mitteldichten Faserplatten (MDF)
Oriented Strand Boards (OSB)
Sperrholz und Sperrformteilen
Wood Plastic Composites (WPC)
Die Verfahren zur Papierherstellung waren der erste Ansatz zur Herstellung von Faserplatten.
Im Jahre 1772 führte der Engländer CLAY erste Versuche zur Herstellung dickerer
Papiersorten, dem so genannten papier maché, durch. Diese dickeren Papiersorten sollten als
großflächiges, nicht flexibles, steifes Bauelement beim Bau von Häusern, Möbeln und Türen
eingesetzt werden. Durch die von CLAY verwendeten Rohstoffe, Abfälle aus der Papier- und
Celluloseproduktion, zur Herstellung von papier maché, wird ersichtlich, dass man schon
damals bemüht war, Abfallstoffe durch Zerfaserung wirtschaftlich zu verwerten. Erst mit der
Einführung des Holzschleifens und des damit verbundenen Anfalles an Schleifresten setzte
man Holz als Rohstoff zur Herstellung des papier maché ein.
Die maschinellen Voraussetzungen zur Herstellung von Faserplatten wurden jedoch erst um
1799, durch die Erfindung der Langsiebmaschine von den Brüdern FOURDRINIER, geschaffen.
Die industrielle Fertigung halbharter Faserplatten aber setzte sich erst ca. 100 Jahre später in
England in Gang. In Amerika wurden um 1901 in Minnesota Isoliermatten für Bauzwecke
Einleitung 5
hergestellt. 1914 wurde mit Erfolg die erste Versuchsanlage zur Produktion poröser
Faserplatten aus Holzabfällen gebaut (LAMPERT, 1966).
In Amerika bildete sich daraufhin eine Industrie, obwohl noch kein einwandfreies Verfahren
zur Zerfaserung des Holzes vorlag. Zur Nutzung der riesigen Mengen an Abfallspänen in den
Sägewerken der USA entwickelte MASON 1926 ein Dampfexplosionsverfahren, welches das
plastische Verhalten des Holzes bei Temperaturen um die 220 °C nutzt (LAMPERT, 1966). In
einer verschließbaren Röhre werden die feuchten Späne erhitzt, bis sich ein Dampfdruck von
20-30 bar aufbaut. Durch das anschließende Öffnen der Röhre entlädt sich das Gemisch
explosionsartig. Das Ergebnis ist ein moosartiger Faserstoff, aus dem erstmalig auch harte
Faserplatten produziert werden konnten (BERGMANN, 1998). Durch die hydrolytischen
Vorgänge und die Plastifizierung des Lignins bei den hohen Dampfdrücken war es möglich,
diese Platten ohne Bindemittel oder andere chemische Zusätze herzustellen (LAMPERT, 1966).
Einige Zeit später entwickelte ASPLUND das Defibrator-Verfahren. Dieses Verfahren arbeitet
mit geringeren Temperaturen und geringerem Druck als das von MASON entwickelte
Dampfexplosionsverfahren. Dabei wird feuchtes Holz bei Temperaturen um die 160 °C - 180
°C erhitzt und bei einem Druck von 8 bar - 11 bar von gegenläufigen Mahlscheiben zerfasert
(BERGMANN, 1998). Das Dampfexplosions-Verfahren sowie das Defibrator-Verfahren werden
heute zur Herstellung von Faserstoff angewendet, da mit beiden Verfahren qualitativ
hochwertiger Faserstoff mit den von der Industrie geforderten technischen und physikalischen
Eigenschaften produziert werden kann.
Die Mitteldichte Faserplatte ist ein Ergebnis technologischer Entwicklungen in den USA. Die
erste Anlage entstand 1965 bei der Firma Allied Chemical in Deposit, New York (DEPPE und
ERNST, 1996). Es waren hauptsächlich zwei Gründe ausschlaggebend, die eine Entwicklung
von MDF-Platten forcierten. Zum einen waren dies die Nachteile der in den USA
hergestellten Hartfaserplatten (Siebrückseite, fehlende Dimensionsstabilität, relativ niedrige
Festigkeit, hohes Gewicht, geringe Plattendicken), die nur eine begrenzte Anwendbarkeit
zuließen. Daher war das Substitutionspotential gegenüber dem in den USA dominierendem
Sperrholz rasch erreicht. Ein anderer entscheidender Grund war, dass aufgrund von
Rohstoffbasis und Verfahrenstechnologie schlechte Qualitätsniveau der in den USA
produzierten Spanplatten. Durch diese Umstände war eine Marktlücke für einen flächigen und
homogenen Werkstoff, der ohne größere Probleme im Möbel- und Innenraumbereich
einsetzbar war, geschaffen (DEPPE und ERNST, 1996). Der Rohdichtebereich der hergestellten
Mitteldichten Faserplatten lag zwischen 600 kg/m³ und 900 kg/m³. Die Platten wurden in
6 Einleitung
einer Stärke von 3 mm bis 100 mm produziert. Nach einiger Zeit war es möglich, dünnere
Platten auch im Kalander-, Texpan- oder Contiroll-Doppelband-Pressverfahren mit einer
Rohdichte, die zwischen den minimal leichteren Spanplatten und den schwereren
Hartfaserplatten lag, zu produzieren.
Dass eine Marktlücke für Mitteldichte Faserplatten bestand, zeichnete sich bereits früh in der
Entwicklung des ungebrochenen Wachstums der Produktionskapazität ab. Obwohl die
Mitteldichte Faserplatte zu Produktionsbeginn zum Teil deutlich teurer war als die
dreischichtige Spanplatte, was auf die unterschiedlichen Material-, Energie- und
Kapitalkosten der einzelnen Länder zurückzuführen war, gab es in allen MDF produzierenden
Ländern ein kontinuierliches Produktionswachstum. Die Produktion von Mitteldichten
Faserplatten lag laut der EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION (2004) im Jahre 2003
europaweit bei 12,9 Mio. m³ (vgl. dazu Abbildung 1-1), wovon ca. 2,5 Mio. m³ in
Deutschland hergestellt wurden. Für das Jahr 2004 wurde ein Produktionsvolumen von 14
Mio. m³ prognostiziert (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004).
0123456789
101112131415
Prod
uktio
nsm
enge
in M
io. m
³
1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004
Jahr
MDF-Produktion in Europa von 1986 bis 2004
Abbildung 1-1: MDF-Produktion von 1986 bis 2004 (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004)
Vergleicht man dabei die Vorteile der Mitteldichten Faserplatten mit den Eigenschaften der
dreischichtigen Standard-Spanplatten, so ist mit einer weiteren Produktionssteigerung in den
kommenden Jahren zur rechnen. Die Vorteile der MDF-Platten, beispielsweise die
Möglichkeit von direkten Oberflächen- und Kantenfräsarbeiten, der Direktlackierung oder des
Direktbedruckens sowie das Entfallen von An- und Umleimern, verschafft ihnen einen
Einleitung 7
Vorsprung gegenüber dreischichtigen Spanplatten. Besonders deutlich kommt dies in den
Bereichen der Möbelindustrie und des Baugewerbes zum Ausdruck, da diese die
Hauptverwendungszwecke für Mitteldichte Faserplatten darstellen (vgl. Abbildung 1-2). Laut
der EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION (2004) werden 54 % aller produzierten MDF-
Platten in der Möbelindustrie weiterverarbeitet, 29 % der Mitteldichten Faserplatten werden
im Baugewerbe eingesetzt.
Anwendungsbereiche für Mitteldichte Faserplatten (2004)
Baugew erbe29%
Möbelherstellung54%
Diverses6%
Verpackung3%
Hobby8%
Möbelherstellung Baugew erbe Hobby Verpackung Diverses
Abbildung 1-2: Verwendungszwecke für MDF-Platten (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004)
1.2 Zielsetzungen der Arbeit
Ziel dieser Dissertation ist es, in Zusammenarbeit mit der Firma CERESTAR Deutschland,
Krefeld und der Firma PFLEIDERER Holzwerkstoffe GmbH & Co. KG, Neumarkt ein
naturnahes Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen auf Proteinbasis zur Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten, zunächst im Labor- und später auch im Pilotmaßstab, zu
entwickeln. Durch den Einsatz von Weizenprotein, das ganzjährig als Nebenprodukt bei der
Glucosesirupherstellung aus Weizen anfällt, soll ein neuer, attraktiverer Anwendungsbereich
für dieses Nebenprodukt erschlossen werden. Zurzeit findet dieses Nebenprodukt nur eine
unzureichende Anwendung als Zusatzstoff in der Futtermittelindustrie.
Die Versuche werden auf der Pilot-MDF-Anlage des Niedersächsischen
Kompetenznetzwerkes zur Nachhaltigen Holznutzung (NHN) im Technikum in Göttingen
8 Einleitung
durchgeführt. Es werden zu Vergleichszwecken auf der Pilot-MDF-Anlage auch Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundene Mitteldichte Faserplatten produziert damit ein direkter
Vergleich von UF-Harz und Protein gebundenen MDF-Platten möglich ist. Ziel dieses
Dissertationsvorhabens ist es das Proteinbindemittel bzw. die Herstellungsparameter soweit
zu optimieren, dass die mit Protein hergestellten Mitteldichten Faserplatten die gleichen bzw.
bessere mechanisch-technologische Eigenschaften aufweisen, wie die mit Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen Vergleichsfaserplatten.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, den Einsatz des Weizenproteinleims als Formaldehyd-
Fängersubstanz zu erforschen. Dazu werden Proteinleim und Harnstoff-Formaldehyd-Harz
bzw. Proteinleim und Phenol-Formaldehyd-Harz in unterschiedlichen Mengenverhältnissen
gemischt und als Leimflotte für die Herstellung von Mitteldichten Faserplatten verwendet.
Durch die Variation der Mischungsverhältnisse soll einerseits ermittelt werden in welchem
Umfang das naturnahe Bindemittel auf Weizenproteinbasis den nicht gebundenen
Formaldehyd absorbieren kann und andererseits in welchem Grad konventionelle Bindemittel
substituiert werden können ohne die mechanisch-technologischen Eigenschaften der
Mitteldichten Faserplatten negativ zu beeinflussen.
Ein weiteres wichtiges Ziel bei der Herstellung der Protein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten ist es, die normale Anlagentechnik mit den üblichen im Refiner aufbereiteten
Holzfasern beizubehalten, um komplizierte und kostenintensive Anlagenumbauten an
bestehenden industriellen Großanlagen zu vermeiden. Die Pilot-MDF-Anlage des NHN ist die
erste Anlage in Deutschland mit der die Möglichkeit der vollautomatischen Auflockerung,
Trocknung und Beleimung des Fasermaterials sowie die anschließende Streuung des
Faservlieses in Anlehnung an industrielle Fertigungsprozesse im Pilot-Maßstab realisiert
werden kann. Aufgrund der Anlagenkonstruktion ist ein späterer Transfer vom Pilot- in den
Industriemaßstab unter Beibehaltung der Produktionsparameter realisierbar.
Dieser Arbeit liegt der Gedanke zugrunde, die auf petrolchemischer Basis produzierten
konventionellen Kunstharze durch ein naturnahes Bindemittel aus nachwachsenden
Rohstoffen auf Proteinbasis weitestgehend zu substituieren. Dabei liegt das Hauptaugenmerk
auf den Harnstoff- und Phenol-Formaldehyd-Harzen, den zurzeit wichtigsten konventionellen
Bindemitteln bei der industriellen Herstellung von Mitteldichten Faserplatten und anderen
Holzwerkstoffen.
Theoretische Grundlagen 9
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Holz
Holz ist ein natürlicher und nachwachsender Rohstoff der weltweit verfügbar ist. Es ist zum
einen aufgrund seiner anatomischen Struktur und zum anderen wegen seiner chemischen
Zusammensetzung ein stabiler Werkstoff, der in vielen Bereichen aufgrund seiner
mechanisch-technologischen Eigenschaften Anwendung findet. Aus diesen Gründen nehmen
die Wälder für die Industriezweige weltweit eine bedeutende Stellung als Rohstoffquelle ein.
Holz ist laut DEPPE und ERNST (2000) bei der Produktion von Mitteldichten Faserplatten der
zurzeit bedeutendste Rohstoff.
Für die Forstwirtschaft ist es daher eine zentrale Aufgabe Holz weltweit nachhaltig zu
produzieren, um auch in Zukunft einen sicheren Holzvorrat und damit das Bestehen vieler
Industriezweige zu gewährleisten (WEGENER, 2004). Neue Studien der Bundeswaldinventur2,
erhoben über den Zeitraum von 1987 bis 2002, zeigen, dass Deutschland zu den waldreichsten
Ländern in Europa zählt. Basierend auf diesen Erkenntnissen ist Deutschland mit einem
Gesamtholzvorrat von 3,381 Mrd. m³ führend innerhalb der Europäischen Union. Gefolgt
wird Deutschland von Schweden mit einem Holzvorrat von 2,928 Mrd. m³ und Finnland mit
einem Vorrat von 2,892 Mrd. m³. In Deutschland sind 11,1 Mio. ha, dies entspricht in etwa
einem Drittel der Gesamtfläche, bewaldet. Jährlich werden in Deutschland 9,0 m³/ha Holz
eingeschlagen, 12,6 m³ wachsen jährlich pro ha nach. Dadurch ergibt sich ein Zuwachs von
3,6 m³/a/ha. Der Holzzuwachs, bezogen auf die letzten 15 Jahre, liegt 39 % über dem
Einschlag; dadurch stieg der gesamte Holzvorrat in Deutschland um durchschnittlich 17 %
(BUNDESMINISTERIUM FÜR VERBRAUCHERSCHUTZ, ERNÄHRUNG UND LANDWIRTSCHAFT,
2005).
2.1.1 Anatomischer Aufbau des Holzes
Laub- wie auch Nadelbäume sind aus vielen unterschiedlichen Zellen aufgebaut. Pflanzliche
Zellen bestehen aus lebendem Zellplasma, einem Zellkern und Plastiden. Zu diesen
Bestandteilen sind in den Zellen noch Vakuolen und leblose Einschlüsse, meist Fette und
Harze, eingelagert (WAGENFÜHR, 1999). Jede Zelle wird von der Mittellamelle, einer aus
Pektin und Lignin (vgl. Kapitel 2.1.3.1) gebildeten Schicht, umschlossen. Im Laufe des
Zellwachstums lagern sich an die Mittellamelle beidseitig die Primärwände, die unter
10 Theoretische Grundlagen
anderem aus Cellulose (vgl. Kapitel 2.1.3.2) bestehen, an. Die Ausdifferenzierung der Zelle
einschließlich der daran angelagerten Primärwand und Mittellamelle ist erst beendet, wenn
die Zelle die ihrer Funktion entsprechende Größe und Form erreicht hat. Danach bilden sich
in der Zelle die so genannten Sekundärwände, die hauptsächlich aus Lignin (vgl. Kapitel
2.1.3.1) und Hemicellulose (vgl. Kapitel 2.1.3.3) bestehen. Die Bildung von Sekundärwänden
ist die Verholzung der Zellen. Sie trägt wesentlich zur Festigung bei und schließt das
Wachstum ab (SCHÜTT et al., 1992). Die Entstehung und einzelnen Bestandteile der
Mittellamelle sowie der Primär- und Sekundärwand werden noch in Zusammenhang mit den
Hauptbestandteilen des Holzes im Kapitel 2.1.3 detailliert erläutert.
Zahlreiche Zellen mit gleicher Funktion und Morphologie werden im Holz zu Geweben
zusammengefügt. Dabei werden die Gewebe hinsichtlich ihrer Hauptfunktion unterteilt. Es
entstehen so drei zentrale Gewebe aus denen Holz gebildet wird. Dies sind das Leit-, das
Festigungs- und das Speichergewebe. Die einzelnen Gewebearten, unterteilt nach ihrer
Funktion, sind in Tabelle 2-1 aufgelistet.
Tabelle 2-1: Aufbau der verschiedenen Gewebearten bei Laub- und Nadelhölzern (LOHMANN, 1998)
Funktion Laubholz Nadelholz
Leiten
Stützen
Speichern
Tracheen
Sklerenchym
Parenchym
Tracheiden (Frühholz)
Tracheiden (Spätholz)
Parenchym
2.1.2 Chemische Holzzusammensetzung
Die chemische Zusammensetzung des Holzes kann generell hinsichtlich der chemischen
Elementarzusammensetzung und der Zusammensetzung nach den chemischen
Holzhauptbestandteilen (vgl. Kapitel 2.1.3.1 bis 2.1.3.3) unterteilt werden. Holz besteht
bezogen auf seine chemischen Elemente hauptsächlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff,
Wasserstoff und Stickstoff (vgl. dazu auch Tabelle 2-2). Beim Vergleich unterschiedlicher
Baum- bzw. Holzarten ist festzustellen, dass keine extremen Varianzen bei der
Elementarzusammensetzung bestehen. Auch der Aufbau der einzelnen Baumteile, wie
Wurzeln, Stämme und Äste, ist hinsichtlich seiner Elementarzusammensetzung sehr
gleichmäßig (LOHMANN, 1998).
Theoretische Grundlagen 11
Tabelle 2-2: Elementarzusammensetzung des Holzes (LOHMANN, 1998)
Chemisches Element Anteil an der Gesamtmasse atro (%)
Kohlenstoff (C) 50
Sauerstoff (O) 44
Wasserstoff (H) 6
Stickstoff (N) 0,05 - 0,25
Die Gruppe der chemischen Holzbestandteile (vgl. Abbildung 2-1) ist wesentlich
umfangreicher als die chemische Elementarzusammensetzung. Zu ihr gehören im
Wesentlichen die Komponenten Lignin, Cellulose, Holzpolyosen und Extraktstoffe, die in den
Kapiteln 2.1.3.1 folgende und 2.1.4 näher beschrieben werden. Wie in Abbildung 2-1
ersichtlich, sind je nach Art der Zusammensetzung bei einzelnen Bestandteilen noch weitere
Unterteilungen vorzunehmen. Dies ist beispielsweise bei der Betrachtung der Holzpolyosen
von Nadel- und Laubhölzern von Bedeutung. AUGUSTIN und PULS (1982) berichten, dass die
Entstehung von Holzpolyosen bei Nadelhölzern vorwiegend auf Mannanen, einer Vorstufe
der Hexosane, basiert, die Hemicellulosen von Laubhölzern hingegen aus Xylanen, einer
Vorstufe der Pentosane, gebildet werden.
Grundlegend unterscheidet sich die Zusammensetzung der Holzhauptbestandteile von der
Elementarzusammensetzung des Holzes. Lignin ist beispielsweise mit einem Gehalt von 64 %
Kohlenstoff wesentlich kohlenstoffreicher, dafür mit einem Sauerstoffgehalt von 30 % jedoch
deutlich sauerstoffärmer als in der Elementarzusammensetzung (vgl. Tabelle 2-1) aufgeführt.
Cellulosen und Hemicellulosen hingegen sind mit Kohlenstoffgehalten von 44 % - 45 % und
Sauerstoffgehalten von 48 % - 49 % kohlenstoffärmer und sauerstoffreicher (ROFFAEL et al.,
2004).
Abbildung 2-1: Übersicht über die chemischen Holzbestandteile (LOHMANN, 1998)
Holz
Holocellulose Lignin Extraktstoffe
Cellulose Holzpolyosen
Hexosane Pektin Pentosane
Mannan Galaktan Araban Xylan
12 Theoretische Grundlagen
Bei Betrachtung der chemischen Hauptbestandteile des Holzes in Tabelle 2-3 fällt auf, dass
diese Komponenten hinsichtlich ihres Anteils an der Gesamtmasse wesentlich höheren
Schwankungen unterliegen als die einzelnen Elemente im Holz (vgl. Tabelle 2-2). Die
Zusammensetzung der chemischen Holzbestandteile unterscheidet sich nach Holzart,
Standort, Alter usw. signifikant (LOHMANN, 1998). Die Veränderung der chemischen
Hauptbestandteile Lignin, Cellulose und Hemicellulose im Holz hat direkte Auswirkungen
auf die physikalisch-chemischen sowie technologischen Eigenschaften des Holzes (ROFFAEL
et al., 2002, ROFFAEL et al., 2004).
Tabelle 2-3: Chemische Hauptbestandteile von Baumarten der gemäßigten Zone (LOHMANN, 1998)
Chemischer Bestandteil Anteil an der Gesamtmasse atro (%)
Lignin 18-30
Cellulose 42-51
Hemicellulose 24-40
Extraktstoffe 1-10
Asche 0,2-0,8
2.1.3 Aufbau der verholzten Zellwand
Die verholzte Zellwand ist eine Entwicklung der Pflanzen, die im Zuge der Landbesiedelung
immer weiter optimiert wurde. Zum Schutz vor der an Land vorherrschenden permanenten
Verdunstung und weiterer Störfaktoren hat sich die verholzte Zellwand der Pflanzen aus
Zellwänden und Leitsystemen entwickelt, um ein Überleben an Land zu ermöglichen.
Bei der Betrachtung der Eigenschaften von pflanzlichen Zellwänden im Verbund ist
festzustellen, dass diese Höhen-Durchmesser-Verhältnissen stand halten, die bisher noch mit
keinem von Menschen konstruierten Werkstoff realisiert werden konnten (HÜTTERMANN und
KHARAZIPOUR, 1993). Die optimale Stabilität im Zellwandverbund, beispielsweise bei einem
Baum oder einem Getreidehalm, wird einerseits durch maximale Druck- und Zugfestigkeiten
sowie andererseits durch eine maximale Elastizität erreicht. Verantwortlich für dieses
optimale Verhältnis sind die chemischen Hauptbestandteile Lignin, Cellulose und
Holzpolyosen, die bereits kurz in Kapitel 2.1.2 angesprochen wurden. Lignin ist im Aufbau
von Pflanzen verantwortlich für die Druckfestigkeit, Cellulose für die Zugfestigkeit und die
im Holz befindliche Hemicellulose sorgt durch die Verbindung von Lignin und Cellulose für
eine ausreichende Elastizität.
Theoretische Grundlagen 13
Die Cellulose bildet zusammen mit einem Teil der Holzpolyosen das Gerüst des Holzgefüges.
Dabei werden diese Bestandteile durch das Lignin zusammengehalten. Es fungiert als eine Art
Kittsubstanz (LOHMANN, 1998). Wie bereits erwähnt basiert die Ausdifferenzierung der
einzelnen Zellen immer auf der Ausbildung einer Mittellamelle, einer Primärwand und einer
mehrschichtigen Sekundärwand. Diese drei chemischen Schichten der pflanzlichen Zellen
sollen in den nächsten Absätzen näher erläutert werden. Danach werden dann in den
folgenden Kapiteln 2.1.3.1 bis 2.1.3.3 die Hauptbestandteile des Holzes im Hinblick auf ihren
chemischen Aufbau sowie ihre Wirkungsweise im pflanzlichen Zellverbund erklärt.
Die im Durchschnitt ca. 2 µm dicke Mittellamelle besteht größtenteils aus Pektinen und
Lignin und stellt eine feste Verbindung benachbarter Zellen im pflanzlichen Zellverbund dar
(BERGMANN, 1998). Der Ligninanteil ist in der Mittellamelle, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Mittellamelle am pflanzlichen Zellverbund, prozentual am höchsten. Bis zu 70 % dieser
Schicht bestehen aus Lignin (ROFFAEL et al., 2004). Die Lignifizierung, d.h. die
Lignineinlagerung der verholzten Zellwand beginnt bei der Mittellamelle und greift
anschließend auf die Primär- und Sekundärwände der angelagerten Zellen über (BERGMANN,
1998).
Bereits vor und während der Zellausdifferenzierung sind Primärwände an beiden Seiten der
Mittellamelle angelagert. Primärwände bestehen hauptsächlich aus Cellulose. Des Weiteren
werden Hemicellulosen und Glykoproteine, so genannte Makromoleküle bestehend aus
Kohlenhydraten und Eiweiß, für den Aufbau der Primärwände verwendet. In den
Primärwänden werden Pektine eingelagert, die für die Elastizität dieser Zellschicht
verantwortlich sind. Die Menge an Pektin variiert jedoch und daher besitzen nicht alle
Primärwände die gleiche Elastizität (WAGENFÜHR, 1999).
Die Lignifizierung, der mehrschichtigen Sekundärwände, bestehend aus Lignin,
Hemicellulosen und Cellulose, geschieht erst nach der vollständigen Ausdifferenzierung der
Zelle. Da der Celluloseanteil in den Sekundärwänden höher ist als in der Primärwand und
keine Pektine oder Glykoproteine in diesen Zellschichten vorhanden sind, handelt es sich bei
den Sekundärwänden um starre und nur schwer dehnbare Zellwände (BERGMANN, 1998). Die
Sekundärwand ist durch die sperrholzartige Anordnung der Cellulosefibrillen in drei
Schichten (S1-S3) zu unterteilen. Durch diese Anordnung erhält die Sekundärwand zusätzliche
Stabilität. Die drei Schichten S1-S3 sind vor allem durch die unterschiedlich dicken und
verschieden angeordneten Cellulosefibrillen zu unterscheiden (WAGENFÜHR, 1999).
14 Theoretische Grundlagen
2.1.3.1 Lignin
Lignin gehört zur Gruppe der Phenole, die bei allen Pflanzen anzutreffen und in sämtlichen
Pflanzenteilen, d.h. in den Wurzeln, der Sprossachse, den Blättern, Blüten und Früchten,
eingelagert sind. Der Begriff Phenole umfasst eine Reihe von Verbindungen, die alle eine
Hydroxylgruppe (-OH) am aromatischen Ring tragen. Der aromatische Ring besteht aus sechs
Kohlenstoffatomen, die über Doppelbindungen verknüpft sind. Das Makromolekül Lignin ist
vorwiegend in den Mittellamellen und den S2 Zellwänden lokalisiert. Aufgrund der diffizilen
Molekülstruktur des Lignins kann in Laub- und Nadelholzlignin unterschieden werden, wobei
Nadelholz grundsätzlich einen höheren Ligninanteil aufweist als Laubholz (FENGEL und
WEGENER, 2003).
Abbildung 2-2: Strukturmodell von Fichtenlignin (ADLER, 1977)
Jährlich werden ca. 2·1010 t Lignin produziert; dies entspricht ungefähr 25 % der gesamten
terrestrischen Biomasse. Damit ist Lignin hinsichtlich des Produktionsvolumens nach
Cellulose (2·1012 t pro Jahr) mengenmäßig die wichtigste organische Substanz. Die Bildung
von Lignin erfolgt durch dehydrierte Polymerisation der drei Monomere Coniferylalkohol,
Sinapylalkohol und p-Coumarylalkohol. Dabei sind nicht immer alle Alkohole mengenmäßig
gleich vertreten. Je nach Pflanzenart sind die Anteile der drei oben genannten Alkohole im
Lignin unterschiedlich. (SITTE et al., 1998). Auch Laub- und Nadelhölzer unterscheiden sich
hinsichtlich des mengenmäßigen Vorkommens dieser sekundären Phenylpropane, welche die
Theoretische Grundlagen 15
Ligninvorstufen darstellen. Laubholzlignin weist einen hohen Sinapylalkoholanteil auf,
während das Lignin der Nadelhölzer (vgl. dazu auch Abbildung 2-2) überwiegend aus der
Vorstufe Coniferylalkohol synthetisiert wird. Gräser und Getreide, wie beispielsweise das
Strohlignin, sind grundsätzlich durch einen hohen Anteil an Coumarylalkohol charakterisiert
(MOHR und SCHOPFER, 1992).
Die hauptsächliche Bedeutung des Lignins liegt in der Druckfestigkeit und Steifheit, die es
den Zellwänden verleiht. Dieses hydrophobe Makromolekül ist der Hauptbestandteil der
Mittellamelle und dient als Kittsubstanz für das Cellulosegerüst in Pflanzen und Bäumen
(RAVEN, et al., 2000). Der Ligningehalt von Bäumen, bezogen auf die gesamte Trockenmasse,
variiert grundsätzlich nach Baumart, Standort, Alter, etc. Allgemein kann jedoch für
Laubhölzer der gemäßigten Zonen ein Ligningehalt von 18 bis 22 % und für Nadelhölzer der
gemäßigten Zonen ein Ligningehalt von 25 bis 30 % zu Grunde gelegt werden (ROFFAEL et
al., 2002).
2.1.3.2 Cellulose
Cellulose (vgl. Abbildung 2-3) ist der Hauptbestandteil von Pflanzen und Bäumen, der
maximal bis zur Hälfte der gesamten Trockenmasse ausmachen kann. Dies ist sowohl bei
Laub- als auch bei Nadelhölzern der Fall, obwohl durchschnittlich im Laubholz ein leicht
geringerer Cellulosegehalt vorherrscht. Das Polymer Cellulose besitzt ein sehr hohes
Molekülgewicht und wird ausschließlich aus der β–D-Glucose gebildet. Aufgrund seiner
chemischen und physikalischen Eigenschaften nimmt es im Aufbau der Zellwände von
Pflanzen und Bäumen eine sehr wichtige Stellung ein (FENGEL und WEGENER, 2003).
Abbildung 2-3: Struktur der Cellulose (KHARAZIPOUR, 1996)
Das Polysacharid Cellulose ist mit einer jährlichen Produktion von 2·1012 t mengenmäßig die
am stärksten vertretene organische Substanz auf Erden (MOHR und SCHOPFER, 1992). Durch
das Aneinanderlagern von vielen linearen, unverzweigten Kettenmolekülen entstehen
16 Theoretische Grundlagen
Mikrofibrillen. Die Mikrofibrillen schlingen sich umeinander und bilden durch diese
Konstruktion feine Kabel mit Durchmessern von ungefähr 0,5 µm (RAVEN et al., 2000).
Aufgrund ihrer Anordnung sind die Mikrofibrillen vor Angriffen durch chemische Stoffe und
Wasser geschützt (MOHR und SCHOPFER, 1992). Bedingt in der Linearität und der mäßig
kristallinen Molekülform der Cellulose ist dieser chemische Hauptbestandteil verantwortlich
für die Zugfestigkeit von Pflanzen und Bäumen (OKAMURA, 1991).
2.1.3.3 Holzpolyosen
Die Holzpolyosen stehen in enger Verbindung mit der Cellulose in den Zellwänden von
Pflanzen und Bäumen. Sie werden vorwiegend aus fünf neutralen Zuckern, den Hexosen
Glucose, Mannose und Galactose sowie den Pentosen Xylose und Arabinose im pflanzlichen
Stoffwechsel synthetisiert (vgl. auch Abbildung 2-1). Im Vergleich zu Cellulose sind die
Molekülketten wesentlich kürzer; sie besitzen zudem Seitengruppen und sind unter
Umständen verzweigt. Laubholz weist im Gegensatz zu Nadelholz durchschnittlich einen
höheren Anteil an Holzpolyosen auf (FENGEL und WEGENER, 2003).
Die Holzpolyosen oder auch Hemicellulosen (vgl. Abbildung 2-4) genannt, treten in den zu
erst gebildeten Wandschichten je nach Zelltyp und Pflanzengruppe in unterschiedlicher Form
auf. Bei den Monokotylen, den einkeimblättrigen Blütenpflanzen, sind dies vorwiegend
Xylane, bei den zweikeimblättrigen Blütenpflanzen, den so genannten Dikotylen, liegt die
Hemicellulose hauptsächlich in Form von Xyloglucanen vor (RAVEN et al., 2000).
Abbildung 2-4: Struktur der Hemicellulose (KHARAZIPOUR, 1996)
Xyloglucane werden aus Ketten von vielen Glucoseeinheiten gebildet, an deren Seitenketten
sich Xyloseeinheiten befinden. Diese Seitenketten werden bei den Xylanen hingegen durch
Reste anderer Zucker, wie z.B. der Arabinose, ersetzt. Unabhängig von der Form der
Holzpolyosen sind die Hemicellulosemoleküle grundsätzlich über Wasserstoffbrücken an
Theoretische Grundlagen 17
mehrere, umliegende Cellulosefibrillen gebunden (vgl. auch Kapitel 2.1.3.2). Sie vernetzen
auf diese Weise die Fibrillen miteinander und begrenzen so die Ausdehnung der Zellwand.
Hinsichtlich des Holzaufbaus sind die Holzpolyosen somit einerseits für die Stabilität der
Cellulosefibrillen von zentraler Bedeutung und haben andererseits einen regulierenden
Einfluss auf die Größenzunahme der Zellen (WAGENFÜHR, 1999).
2.1.4 Nebenbestandteile des Holzes
Holz enthält neben den in Kapitel 2.1.3.1 bis Kapitel 2.1.3.3 erläuterten Hauptbestandteilen
weitere chemische Verbindungen. Bei diesen Verbindungen handelt es sich im Wesentlichen
um Extraktstoffe, Inhaltsstoffe und akzessorische Bestandteile, die Auswirkungen auf das
biologische, chemische und physikalische Verhalten des Holzes haben. Daneben haben sie
auch auf die spätere Verwendung des Holzes einen bedeutenden Einfluss. Die Extraktstoffe
werden in primäre und sekundäre Extraktstoffe unterteilt. Die primären Extraktstoffe kommen
in jedem Baum vor, da sie zum pflanzlichen Stoffwechsel gehören; das Vorkommen von
sekundären Extraktstoffen hinsichtlich ihrer Art und Zusammensetzung ist beschränkt auf
einige bestimmte Holzarten (ROFFAEL und SCHÄFER, 2002).
Zu den primären Extraktstoffen, die hauptsächlich im Splintholz vorliegen, gehören
beispielsweise Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate. Auch der Reservestoff Stärke gehört zu den
primären Extraktstoffen. Die primären Extraktstoffe sind in Mengen von 1 % bis 2 %,
bezogen auf die gesamte, absolut trockene Holzmasse eines Baumes, im Holz vorhanden. Der
Anteil dieser chemischen Verbindungen ist abhängig von der Jahreszeit und variiert daher im
Jahresverlauf. GÄUMANN untersuchte den Zuckergehalt im Fichtenholz in Abhängigkeit der
Jahreszeit. Dabei stellte sich heraus, dass der Zuckergehalt von April bis Juni relativ hoch ist
und in den übrigen Monaten wieder abnimmt (GÄUMANN, 1928).
Sekundäre Extraktstoffe werden in den Strahlenparenchymzellen innerhalb der Splintholz-
Kernholz-Umwandlungszone gebildet und anschließend in den umliegenden Tracheiden- und
Gefäßzellwänden verteilt. Zu den sekundären Extraktstoffen gehören beispielsweise Harze,
natürliche Polyphenole und Kautschuk. Sie sind in einheimischen Hölzern mengenmäßig zu
ca. 2 % bis 5 %, bezogen auf atro Holz, vorhanden. Tropische und subtropische Hölzer
hingegen können bis zu 40 % aus sekundären Extraktstoffen bestehen (ROFFAEL und
SCHÄFER, 2002). NOACK (1963) stellte bei Untersuchungen an Eichen fest, dass die Bildung
18 Theoretische Grundlagen
von Kernholz stark mit einem Anstieg des Extraktstoffgehaltes korreliert ist. Dabei kann es
durch die Einlagerungen der Extraktstoffe in diesen Zonen zu Rohdichteerhöhungen kommen
(NOACK, 1963).
Der Zeitpunkt zu dem das Holz geschlagen wird - und der damit verbundene aktuell
vorherrschende Gehalt an primären und sekundären Extraktstoffen - hat somit enorme
Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften des Holzes und der daraus hergestellten
Produkte. Primäre und sekundäre Extraktstoffe wirken sich z.B. auf die natürliche
Dauerhaftigkeit des Holzes aus und haben Einfluss auf die spätere Benetzbarkeit des Holzes
mit Bindemitteln. Beispielhaft seien hier der positive Einfluss der primären Extraktstoffe auf
die biologische Resistenz im Holz und die negativen Auswirkungen des zu hohen
Zuckergehaltes im Holz auf die Festigkeiten der aus diesem Holz hergestellten
zementgebundenen Spanplatten genannt. Des Weiteren beeinflussen die im Holz enthaltenen
Extraktstoffe auch den mechanischen, halbmechanischen und chemischen Holzaufschluss, die
Holztrocknung und die spätere Freisetzung umweltrelevanter Stoffe aus Holz und
Holzprodukten (ROFFAEL und SCHÄFER, 2002).
Natürliche Polyphenole, so genannte Tannine, sind Extraktstoffe aus Hölzern, Rinden und
Blättern unterschiedlicher Bäume, die in der Industrie unterschiedlich verwendet werden.
Diese Tannine werden beispielsweise aus Kiefern-, Fichten-, Eichen-, Kastanien- und
Quebrachoholz mit Hilfe unterschiedlicher Verfahren extrahiert. Bis zur Markteinführung
synthetischer und mineralischer Gerbstoffe wurden die natürlichen Polyphenole aus der
Eichen- und Fichtenrinde zum Gerben von Leder verwendet. Auch für
Bindemittelformulierungen werden Tannine verwendet. Aus diesen natürlichen Polyphenolen
kann in Kombination mit Formaldehyd ein Bindemittel hergestellt werden, das zur Produktion
von Holzwerkstoffen genutzt werden kann. Tannine werden weiterhin in einigen Ländern
aufgrund ihrer hohen Reaktivität gegenüber Formaldehyd als Härtungsbeschleuniger bei der
Herstellung Phenol-Formaldehyd-Harz (vgl. Kapitel 2.2.2.1.2) gebundener Holzwerkstoffe
eingesetzt (ROFFAEL und SCHÄFER, 2002).
Theoretische Grundlagen 19
2.2 Chemische Grundstoffe in der Holzwerkstoffindustrie
Die industrielle Herstellung von Mitteldichten Faserplatten basiert auf der Verwendung
unterschiedlicher chemischer Grundstoffe. Diese chemischen Grundstoffe lassen sich in
Bindemittel, Härter, Hydrophobierungsmittel und Hilfs- und Zuschlagstoffe differenzieren.
Die Art und Zusammensetzung der unterschiedlichen chemischen Grundstoffe richtet sich
nach den späteren Anwendungsbereichen und den daran gebundenen mechanisch-
technologischen Anforderungen der hergestellten Mitteldichten Faserplatten. In den folgenden
Kapiteln 2.2.1 bis 2.2.3 werden sowohl die Eigenschaften als auch die Zusammensetzungen
der einzelnen chemischen Grundstoffe und ihre unterschiedlichen Wirkungsweisen erläutert.
2.2.1 Bindemittel
Der Begriff Bindemittel gehört wie viele andere Synonyme aus dem täglichen
Sprachgebrauch zur Gruppe der Klebstoffe. Die unterschiedlichen Bezeichnungen haben
ihren Ursprung häufig in alten Zunfttraditionen oder Anwendungsmöglichkeiten. In der
Holzwerkstoffindustrie hat sich der Begriff Bindemittel etabliert und wird daher auch im
Rahmen dieser Promotion synonym für den Begriff Klebstoff verwendet.
Nach DIN 16920 wird der Begriff Klebstoff als ein nichtmetallischer Stoff definiert, der
Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit, d.h. durch Adhäsion und Kohäsion
verbinden kann (DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e.V., 1998 a).
Die vielen Bindemittelarten, die von der Industrie angeboten werden, lassen sich anhand ihrer
unterschiedlichen, charakteristischen Merkmale nach differenzierten Ordnungsprinzipien
systematisieren. Die beiden wichtigsten Ordnungsprinzipien sind dabei die chemische Basis
und der Abbindemechanismus der Klebstoffe. Diese Ordnungsprinzipien sollen in den beiden
folgenden Absätzen erläutert werden.
Bei der Einteilung der Klebstoffe hinsichtlich ihrer chemischen Basis lassen sich organische
und anorganische Verbindungen unterscheiden. Die organischen Verbindungen sind aufgrund
ihrer Elementarkomponenten in natürliche Basis (Eiweiße, Kohlenhydrate, Harze) und
künstliche Basis (C-H-Verbindungen + Sauerstoff, Stickstoff, Chlor usw.) unterteilt. Die
anorganischen Verbindungen umfassen keramische Bestandteile, Metalloxide, Silikate,
20 Theoretische Grundlagen
Phosphate und Borate. Eine Zwischenstellung nehmen in dieser Einteilung die Silikone ein.
Sie stellen ihrer Art nach Verbindungen mit organischen und anorganischen Merkmalen dar.
Unterscheidungskriterien bei dieser Einteilung sind zum einen die unterschiedlichen
Klebfestigkeiten innerhalb der organischen Verbindungen, die bei Klebstoffen auf künstlicher
Basis wesentlich höhere Werte aufweisen und zum anderen die Verarbeitungs- und
Anwendungstemperaturen. Klebstoffe auf organischer Basis besitzen eine geringere
thermische Beständigkeit als Klebstoffe auf anorganischer Basis (HABENICHT, 1986).
Unterscheidet man Klebstoffe hinsichtlich ihres Abbindemechanismusses, so ergeben sich
zum einen die Gruppe der chemisch reagierenden und zum anderen die Gruppe der
physikalisch abbindenden Klebstoffe. Zu den chemisch reagierenden Klebstoffen gehören die
Polymerisations-, die Polyadditions- und die Polykondensationsklebstoffe. Diese Klebstoffe
können sowohl kalt- als auch warmhärtend sein. Die physikalisch abbindenden Klebstoffe
sind unterteilt in Schmelz- und Lösungsmittelklebstoffe und Plastisole.
Kriterien für eine Einteilung anhand des Abbindemechanismusses sind der Molekülzustand
des Bindemittels zu Beginn des Klebens und die Anzahl der an der Reaktion beteiligten
Komponenten.
Bei den chemisch reagierenden Klebstoffen liegen Monomermoleküle in gleicher oder
verschiedener Art vor, die zeit- und temperaturabhängig miteinander zu einer polymeren
Klebeschicht reagieren. Bei den physikalisch abbindenden Klebstoffen liegen nur
Polymerverbindungen vor, die mit Hilfe von hohen Temperaturen und/oder
Lösungsmittelsystemen in einen benetzungsfähigen Zustand gebracht werden können. In der
Klebefuge findet keine Reaktion mehr statt.
Chemisch reagierende Klebstoffe bestehen in der Regel aus zwei Reaktionspartnern.
Gegebenenfalls kommen noch Beschleuniger oder Katalysatoren (vgl. Kapitel 2.2.3.1) hinzu.
Da physikalisch abbindende Klebstoffe wie oben im Text erläutert nur aus einer
Polymerverbindung bestehen, dient auch nur diese eine Komponente zum Verkleben. Sie
heißen daher auch Einkomponentenklebstoffe (HABENICHT, 1986).
Bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten werden von der Holzwerkstoffindustrie, je
nach späterem Anwendungsbereich der Werkstoffe, unterschiedliche petrolchemische
Bindemittel eingesetzt. Aus der Abbildung 2-5 geht deutlich hervor, dass Harnstoff-
Formaldehyd-Harze mit 85 % der Gesamtmenge den Großteil der in der Industrie
Theoretische Grundlagen 21
verwendeten konventionellen Bindemittel darstellen. Aufgrund des geringen Preises, des
relativ breiten Anwendungsspektrums und der guten mechanisch-technologischen
Eigenschaften der UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten besitzen Harnstoff-
Formaldehyd-Harze diese Vormachtstellung (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004).
Die Verwendung von Phenolharzen (7 %), Melamin verstärkten Harnstoff-Formaldehyd-
Harzen (5 %) und polymeren Diisocyanaten (3 %) ist wesentlich seltener. Begründen lassen
sich die Zahlen mit den folgenden Aspekten: Einerseits sind die Preise dieser Bindemittel im
Vergleich zu Harnstoff-Formaldehyd-Harzen wesentlich höher – PF-Harze und MUF-Harze
sind ca. doppelt so teuer wie UF-Harze, PMDI kostet das vierfache - und andererseits werden
die mit den o. g. Bindemitteln hergestellten Faserplatten nur in geringen Mengen produziert,
da es sich hierbei um so genannte Nischenprodukte handelt.
Die Herstellung dieser konventionellen Bindemittel, ihre Einteilung anhand der oben im Text
erläuterten Ordnungsprinzipien und ihre Auswirkungen auf die mechanisch-technologischen
Eigenschaften der hergestellten Mitteldichten Faserplatten sind in den Kapiteln 2.2.2.1.1 bis
2.2.2.2.5 beschrieben.
Weltweit von der Holzwerkstoffindustrie verwendete konventionelle Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten in 2004
Melamin-UF-Harze; 5%
Phenolharze; 7%
Polymere Diisocyanate; 3%
Harnstoff-Formaldehyd-Harze; 85%
Abbildung 2-5: Anteile der petrolchemischen Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten (EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION, 2004)
22 Theoretische Grundlagen
2.2.2 Bindemittelarten
2.2.2.1 Konventionelle Bindemittel
Die Harnstoff-, Melamin- und Phenol-Formaldehyd-Harze gehören zu den
Polykondensationsklebstoffen, d.h. zu den chemisch reagierenden Klebstoffen (vgl. dazu auch
Kapitel 2.2.1). Der grundlegende Unterschied der Polykondensationsklebstoffe im Vergleich
zu den Polyadditions- und Polymerisationsklebstoffen, beispielsweise den polymeren
Diisocyanaten, besteht darin, dass die Reaktion von zwei Monomermolekülen zu einem
Polymermolekül unter Abspaltung eines einfachen Moleküls, z.B. Wasser oder Alkohol,
erfolgt (HABENICHT, 1986).
2.2.2.1.1 Harnstoff-Formaldehyd-Harze
Aufgrund ihrer Entstehungsreaktion und Polymerstruktur gehören die Harnstoff-
Formaldehyd-Harze zu den Duromeren der Polykondensate (vgl. dazu auch Kapitel 2.2.1).
Die Ausgangssubstanzen bei Polykondensaten sind Reaktionspartner gleichartiger oder
unterschiedlicher Struktur. Eine Ausgangssubstanz verfügt grundsätzlich über eine
reaktionsfähige Endgruppe (OH-Anordnung) oder eine reaktionsfähige Molekülgruppierung.
Der Aufbau der Makromoleküle ist nicht ausschließlich auf Kohlenstoff-Kohlenstoff-
Bindungen zurückzuführen, sondern auch auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in der
Hauptkette. Die UF-Harze reagieren wie alle Polykondensate nach dem Schema, dass die
Reaktionspartner unter Abspaltung niedermolekularer Produkte verknüpft werden
(HABENICHT, 1986).
Die erste Stufe bei der Herstellung von UF-Harz ist eine Additionsreaktion in einem
wässrigen Medium, bei der sich der freie Formaldehyd (Methanal) an den Harnstoff bindet.
Dies geschieht unter Bildung von Methylol- und Dimethylolharnstoff (DEPPE und ERNST,
1996).
Der zweite Schritt ist eine Polykondensationsreaktion, wobei das zuvor entstandene Gemisch
unter Zugabe von Ammoniumchloridhärter oder Salzsäure angesäuert und erwärmt wird. Die
Methylolharnstoffe kondensieren bei dieses Bedingungen, wie in Abbildung 2-6 dargestellt,
unter der Ausbildung kettenförmiger und teilweise verzweigter höhermolekularer
Kondensationsprodukte weiter (DEPPE und ERNST, 2000).
Theoretische Grundlagen 23
Abbildung 2-6: Reaktion von Harnstoff und Formaldehyd zu UF-Harz (DEPPE und ERNST, 1996)
Durch die Neutralisierung des zugegebenen Ammoniumchloridhärters bzw. der Salzsäure
wird die Polykondensation gestoppt. Der entstandene Rohleim wird abhängig von der
späteren Verwendung entweder unter Vakuum konzentriert oder zu Pulverleim
sprühgetrocknet (ZEPPENFELD, 1991). Bei der späteren Heißpressung der Mitteldichten
Faserplatten läuft die zuvor abgebrochene Polykondensation des Harnstoff-Formaldehyd-
Harzes extrem schnell ab und ein dreidimensionales Netzwerk von Polymeren entsteht.
Die Bindungskräfte der Harnstoff-Formaldehyd-Harze sind im Wesentlichen vom
Molverhältnis Harnstoff zu Formaldehyd abhängig. Das Molverhältnis betrug bei den früher
hergestellten UF-Harzen 1:1,4. Aufgrund des höheren Anteils an freiem Formaldehyd waren
diese wesentlich reaktiver und länger lagerfähig im Vergleich zu den heute produzierten
Harnstoff-Formaldehyd-Harzen. Durch die heute geltende Reglementierung bzgl. der
Formaldehydemission aus Holzwerkstoffen war die Industrie jedoch gezwungen, das
Molverhältnis auf 1:1,1 bis 1:1,2 zu senken (ZEPPENFELD, 1991). Holzwerkstoffe, die mit
diesen Harnstoff-Formaldehydharzen hergestellt werden, zeichnen sich durch eine
Formaldehydarmut aus, durch die der vorgegebene Grenzwert von 0,1 ml/m³ (ppm) ohne eine
Zugabe von Formaldehyd-Fängersubstanzen realisiert werden kann (BASF, 2000; BASF,
2002).
24 Theoretische Grundlagen
2.2.2.1.2 Phenol-Formaldehyd-Harze
Einerseits besitzen Phenol-Formaldehyd-Harze begründet in ihrer hohen Anpassungsfähigkeit
an unterschiedliche Materialien das breiteste Anwendungsspektrum aller Kunstharze,
andererseits finden sie hauptsächlich aufgrund ihres hohen Preises nur Anwendung bei der
Herstellung von Nischenprodukten. Dies trifft auch bei der industriellen Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten zu, wobei die Phenol-Harze etwa 7 % der gesamten verwendeten
petrolchemisch hergestellten Bindemittel ausmachen (vgl. dazu auch Abbildung 2-5).
Die Phenol-Formaldehyd-Harze zählen, wie auch die UF-Harze, zu den Duromeren der
Polykondensationsklebstoffe. Das diskontinuierliche Herstellungsverfahren von PF-Harzen
beginnt mit einer Additionsreaktion, wobei Phenole mit Formaldehyd reagieren (vgl.
Abbildung 2-7). Anschließend entstehen Phenol-Formaldehyd-Harze aus der
Kondensationsreaktion zwischen Phenol und Formaldehyd (Wasserabspaltung) nach einem
vergleichbaren Reaktionsschema wie die Harnstoff- und Melamin-Harze (vgl. Kapitel
2.2.2.1.1 und 2.2.2.1.3 ).
Abbildung 2-7: Reaktion von Phenol und Formaldehyd (DEPPE und ERNST, 1996)
Die Phenol-Harze weisen im Gegensatz zu den Harnstoff- und Melamin-Harzen nur sehr
geringe Formaldehydemissionen auf, da sie den Formaldehyd während der Heißpressung in
einer alkalischen Reaktion sehr fest einbinden. Die Feuchtebeständigkeit von PF-Harz
Theoretische Grundlagen 25
gebundenen Mitteldichten Faserplatten ist noch höher als die von Melamin-Harz gebundenen.
Nachteilig wirken sich jedoch die langsamere Härtungsgeschwindigkeit und die daraus
resultierenden längeren Presszeiten sowie die aufgrund der alkalischen Reaktion vorhandene,
charakteristische dunkle Färbung aus, die zu Problemen bei einer späteren Lackierung führt.
Aufgrund dieser Nachteile werden Phenol-Formaldehyd-Harze nur bei der Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten nach den Nassverfahren (vgl. Kapitel 2.4.1.1) eingesetzt, um
spätere Lackierungsprobleme zu vermeiden (DEPPE und ERNST, 1996).
2.2.2.1.3 Melamin-Formaldehyd-Harze
Melamin-Formaldehyd-Harze entstehen, wie auch die Harnstoff-Formaldehyd-Harze, in
einem kontinuierlichen Verfahren aus einer Polykondensationsreaktion (siehe Abbildung 2-8),
was auch im chemischen Aufbau dieser Harze zu erkennen ist (vgl. Abbildung 2-6). Dabei
reagiert das Melamin mit Formaldehyd unter Ausbildung von Methylolverbindungen.
Theoretisch wäre dabei ein Molverhältnis von Melamin zu Formaldehyd von 1:6 möglich.
Praktisch wird jedoch ein Verhältnis von 1:3 bevorzugt, um erhöhte Formaldehydemissionen
bei der Verwendung Melamin-Formaldehyd-Harz gebundener Holzwerkstoffe zu vermeiden.
Ein Unterschied bei der Herstellung von MF-Harzen verglichen mit UF-Harzen ist, das die
Kondensation in der Wärme ohne Säurehärter erfolgt (HABENICHT, 1986).
Abbildung 2-8: Reaktion von Melamin und Formaldehyd (ADAM, 1988)
Der wesentliche Vorteil der Melamin-Formaldehyd-Harze liegt in der besseren
Feuchtebeständigkeit der hergestellten Holzwerkstoffe gegenüber Harnstoff-Formaldehyd-
Harz gebundener Holzwerkstoffe (DEPPE und ERNST, 1996). Ein Nachteil der reinen MF-
Harze ist ihre zeitlich sehr begrenzte Lagerfähigkeit von nur vier Tagen bei Raumtemperatur
(ZEPPENFELD, 1991). Reine Melamin-Harze werden jedoch, unabhängig von der kurzen
Lagerungsfähigkeit, allein aus Kostengründen industriell nicht eingesetzt. Mischkondensate,
bestehend aus 45 % Melamin-Harz und 55 % Harnstoff-Harz, haben sich bei der industriellen
26 Theoretische Grundlagen
Herstellung von Mitteldichten Faserplatten etabliert (DEPPE und ERNST, 1996). Die mit
Mischkondensaten produzierten Holzwerkstoffe weisen gegenüber allein mit Melamin-Harz
gebundenen Holzwerkstoffen immer noch eine sehr gute Feuchtebeständigkeit auf und
können aufgrund des geringeren Melamin-Anteils zu einem geringeren Preis angeboten
werden.
2.2.2.1.4 Klebstoffe auf der Basis polymerer Diisocyanate
Hinsichtlich ihrer Entstehungsreaktion und Polymerstruktur gehören die organischen
Isocyanate zu den Duromeren der Polyaddukte. Die Isocyanate besitzen, wie auch die
Polykondensate, Reaktionspartner gleichartiger oder unterschiedlicher Struktur, die über
reaktionsfähige Endgruppen oder Molekülgruppierungen verfügen. Der Aufbau der
Makromoleküle in der Klebschicht erfolgt jedoch nicht nur über Kohlenstoff-Kohlenstoff-
Bindungen, sondern auch über Sauerstoff- und Stickstoffatome in der Hauptkette.
Hinsichtlich des Reaktionsmechanismus unterscheiden sich die organischen Isocyanate von
den Duromeren der Polykondensate, da bei den Polyaddukten die Addition der Monomere
unter Wanderung eines Wasserstoffatoms innerhalb der reagierenden Gruppen erfolgt. Dabei
werden die Klebschichtbestimmenden Eigenschaften wie Festigkeit und Beständigkeit
gegenüber chemischen Einflüssen, Elastizität und deformationsfähiges Verhalten durch
gezielte Auswahl der Monomere bestimmt (HABENICHT, 1986).
Die zuvor beschriebenen Harnstoff-, Phenol- und Melamin-Formaldehyd-Harze erwirken
einen Verklebungseffekt durch Adhäsion und mechanische Verzahnung der Holzpartikel mit
dem Holz. Im Gegensatz dazu entstehen bei den organischen Isocyanaten zwischen dem Holz
und dem Klebstoffstoff chemische Verbindungen, wobei die Reaktion dabei im Wesentlichen
mit den freien OH-Gruppen des Holzes erfolgt. Durch dieses Reaktionsschema lassen sich
sowohl die höheren Feuchtebeständigkeiten als auch die besseren mechanisch-
technologischen Eigenschaften der PMDI-gebundenen Mitteldichten Faserplatten gegenüber
den mit Kondensationsharzen hergestellten Faserplatten erklären. Ein weiterer Vorteil von
organischen Isocyanaten ist, dass sie sowohl bei der Blowline- als auch bei der
Mischerbeleimung eingesetzt werden können. Nachteilig sind die deutlich höheren
Herstellungskosten PMDI-gebundener Mitteldichter Faserplatten und der zwingende Einsatz
eines Trennmittels, um ein Verkleben der Faserplatten mit den Pressblechen zu verhindern, da
organische Isocyanate auch mit Metall Bindungen eingehen (DEPPE und ERNST, 1996).
Theoretische Grundlagen 27
Bei der industriellen Herstellung Isocyanat-gebundener Mitteldichter Faserplatten wird
vornehmlich technisches MDI eingesetzt (vgl. hierzu auch Abbildung 2-9). Dieses besteht aus
reinem Diphenylmethan-Diisocyanat und dessen Polymere (JOHNS et al., 1984, MCLAUGHLIN
et al. 1981).
Abbildung 2-9: Diphenylmethan-4.4´-Diisocyanat (DEPPE und ERNST, 1996)
2.2.2.2 Naturnahe Bindemittel
Da die fossilen Rohstoffe, insbesondere das Rohöl, immer knapper und teuerer werden, ist die
Holzwerkstoffindustrie sehr an der Entwicklung neuartiger, naturnaher Bindemittel aus
nachwachsenden Rohstoffen interessiert. Durch die Entwicklung eines solchen Bindemittels
würde die Holzwerkstoffindustrie wie auch weitere Industriezweige unabhängig von den
konventionellen, auf Rohöl basierenden Bindemitteln, die auch in Zukunft immer weiter im
Preis steigen werden. Die bei der Herstellung von Holzwerkstoffen verwendeten Bindemittel
können bis zu 20 % der Gesamtkosten der Holzwerkstoffe ausmachen (KHARAZIPOUR, 2004)
und stellen somit einen entscheidenden Kostenfaktor dar, der die Wettbewerbsfähigkeit der
Unternehmen deutlich beeinflusst. Die Verwendung naturnaher Bindemittel aus
nachwachsenden Rohstoffen würde sich jedoch nicht nur auf die Preispolitik der
Holzwerkstoffhersteller vorteilhaft auswirken. Durch den Einsatz dieser Bindemittel würden
sich die Hersteller eindeutig mit einer umwelt- und gesundheitsbewussten
Holzwerkstoffproduktion identifizieren.
2.2.2.2.1 Tannine
Tannine sind pflanzliche Extraktstoffe (vgl. dazu auch Kapitel 2.1.4) und gehören zu den
Gerbstoffen, den pflanzlichen Polyhydroxyphenolen. Die Tannine sind sowohl in Wasser und
verschiedenen Alkoholen als auch in Aceton löslich. Zur Verwendung von Extraktstoffen aus
Mimosaceen (DALTON, 1953; PLOMLEY et al., 1976; PIZZI, 1982) und diversen Kiefernarten
28 Theoretische Grundlagen
(LIIRI et al., 1982; DIX und MARUTZKY, 1985) gibt es zahlreiche Forschungsarbeiten.
Pflanzliche Phenole sind den synthetisch erzeugten Phenolen hinsichtlich ihrer
Molekülstruktur sehr ähnlich. Aus diesem Grund können pflanzliche Phenole als
Ausgangsmaterial für Holzleime verwendet werden (KHARAZIPOUR, 1996).
Das Rindenextrakt Tannin lässt sich in Verbindung mit Formaldehyd zu einem Harz
umsetzen, dem Tanninharz. Diese Tanninharze sind in ihren Eigenschaften vergleichbar mit
den Phenol-Harzen. Tannin-Formaldehyd-Harze werden seit 1982 zur Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten großtechnisch verwendet (MYERS, 1987). Ebenfalls wurde 1995 in
Deutschland die industrielle Herstellung Tannin-Formaldehydharz gebundener Spanplatten
aufgenommen. Die mit diesem Bindemittel hergestellten Werkstoffe zeichnen sich unter
anderem durch geringe Formaldehydemissionen aus (ROFFAEL et al., 2001). Tanninharze
stellen ein sehr kostengünstiges Bindemittel dar, mit dem kochfeste Vernetzungen realisiert
werden können (JUNG und ROFFAEL, 1989; ROFFAEL und DIX, 1994).
2.2.2.2.2 Enzyme
Enzyme sind substrat- und/oder wirkungsspezifische Katalysatoren biologischer Systeme.
Durch eine Absenkung der für chemische Prozesse notwendigen Aktivierungsenergie
beschleunigen Enzyme diese Reaktionen um viele Größenordnungen. Wirkungsspezifität
bedeutet, dass ein Enzym durch eine Reaktion einen definierten Substratumsatz katalysiert.
Katalysiert ein Enzym nur Reaktionen einer chemischen Verbindung oder einer Gruppe von
annähernd gleichen chemischen Verbindungen, so handelt es sich um ein substratspezifisches
Enzym (PRÄVE et al., 1994).
Wie schnell ein Enzym diese chemischen Reaktionen katalysiert, wird generell mit der
Enzymaktivität eines Enzyms beschrieben. Die Arbeitsgeschwindigkeit von Enzymen ist im
Allgemeinen sehr hoch. Ein Enzym kann unter optimalen Bedingungen pro Sekunde mehrere
tausend Substratmoleküle verarbeiten. Die Geschwindigkeit ist jedoch im Wesentlichen von
dem pH-Wert und der Temperatur abhängig. Der pH-Wert beeinflusst durch die Veränderung
der Protonenkonzentration die Arbeitsgeschwindigkeit von Enzymen. Nach der RGT-Regel,
der Korrelation von Reaktion, Geschwindigkeit und Temperatur, bewirkt eine Erhöhung der
Temperatur um 10 °C eine Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Erhöhung der
Theoretische Grundlagen 29
Temperatur bewirkt jedoch auch die Auflösung der Disulfidbrücken des Enzyms, was ab einer
gewissen Temperatur die Denaturierung des Enzyms zur Folge hat.
Die katalytische Aktivität der aus den Zellen ausgeschiedenen oder isolierten Enzyme bleibt
unter optimalen Parametern erhalten. Auf diese Weise können Enzyme auch außerhalb des
natürlichen Stoffwechselapparates genutzt werden, sofern die für die enzymatische Reaktion
notwendigen Bedingungen vorhanden sind. Enzyme sind in der Regel zelleigene Proteine
oder Proteide (PRÄVE et al., 1994).
Das Enzym Phenoloxidase, allgemein auch als Laccase bekannt, wurde 1883 durch YOSHIDA
(1885) entdeckt. Die Bezeichnung Laccase geht auf das Vorhandensein der Phenoloxidasen
im Lackbaum (Rhus laquifera) zurück. PEISACH et al. (1966) fanden heraus, dass die
Phenoloxidasen sowohl aus Pflanzen und Pilzen als auch aus Bakterien isoliert werden
können. Erstmals wurde die Laccase aus den Fruchtkörpern einiger Pilze isoliert (BETRAND,
1894). Darauf folgende Untersuchungen zeigten, dass die Weißfäulepilze (vgl. Kapitel 2.6.1),
wie etwa die auf verrottendem Holz wachsenden Porlinge und Austernpilze, die besten
Laccaseproduzenten sind. Mit Hilfe des Enzyms Laccase ist es diesen Pilzen möglich nahezu
alle Holzbestandteile, auch das nur schwer zersetzbare Lignin, abzubauen. Dabei wird das
Lignin durch relativ unspezifische radikalbildende Exoenzyme angegriffen und in
Bruchstücke zerlegt. Der Abbau von Lignin verläuft zyklisch; dabei wechseln sich
Depolymerisations- und Polymerisationsreaktionen ab (KHARAZIPOUR, 1996).
Aufgrund der Erkenntnis, das die Laccase das im Holz vorhandene Lignin angreifen bzw.
zersetzen kann, folgten zahlreiche Arbeiten zur Entwicklung eines naturnahen Bindemittels
aus Laccase für die Herstellung von Holzwerkstoffen. Dabei gab es unterschiedliche Ansätze.
Sowohl die Entwicklung eines naturnahen Bindemittels bestehend aus Laccase und
Ligninsulfonat (HÜTTERMANN et al., 1977) als auch die direkte Aktivierung der holzeigenen
Bindekräfte durch die Inkubation von Span- bzw. Fasermaterial mit Laccase wurden in diesen
Forschungsansätzen untersucht (KHARAZIPOUR und HÜTTERMANN, 1993; KHARAZIPOUR,
1996; BERGMANN, 1998; KHARAZIPOUR und HAARS, 1998).
2.2.2.2.3 Aktivierung der holzeigenen Bindestoffe
Angeregt durch die Diskussion über eventuell gesundheitsschädliche Auswirkungen von
Formaldehydemissionen aus Holzwerkstoffen entwickelte sich bereits früh der Ansatz zur
30 Theoretische Grundlagen
Aktivierung der holzeigenen Bindestoffe. Ziel dieser Untersuchungen war es, konventionelle
Bindemittel bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten vollständig durch die
Aktivierung der holzeigenen Bindestoffe zu ersetzen.
Bei diesem Verfahren werden durch eine abgestimmte Wärme- und Druckbehandlung das
Lignin, die Cellulose und die Hemicellulosen im zuvor industriell gefertigten Faserstoff
aktiviert. Aufgrund dieser thermischen Vorbehandlung lässt sich eine Bindung zwischen den
Holzhauptbestandteilen im Fasermaterial realisieren, die den Einsatz weiterer konventioneller
Bindemittel erübrigt. Die Versuche zeigten, dass die auf diese Weise hergestellten
Holzwerkstoffe hinsichtlich der Querzugfestigkeiten durchaus mit Harnstoff-Formaldehyd-
Harz gebundenen Werkstoffen vergleichbar waren. Es stellte sich jedoch heraus, dass bei
diesem Verfahren im Vergleich zu UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten höhere
Presstemperaturen und Pressdrücke erforderlich waren (KHARAZIPOUR, 1983).
Die Möglichkeit die holzeigenen Bindestoffe für die Verklebung von Holzfasern zu
aktivieren, kann aufgrund der damit verbundenen längeren Presszeiten und höheren
Presstemperaturen im Vergleich zu Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten
Faserplatten im industriellen Maßstab nicht realisiert werden (DEPPE und ERNST, 1996).
2.2.2.2.4 Stärke
Die Verwendung von Stärke als Bindemittelgrundstoff für die Verleimung von Holz wurde
bereits in diversen Forschungsarbeiten untersucht. Ausgangsstoffe für die Stärkeleime sind
vorzugsweise Produkte aus Kartoffeln, Getreide und Mais. Die Stärke ist bei all diesen
Ausgangsmaterialien aus 1,4-α-D-glucosidisch gebundener Glucose aufgebaut und besteht
einerseits aus dem hochmolekularen Amylopektin und andererseits aus der
heißwasserlöslichen Amylose (MAYER, 1993).
Da die native Stärke aus Reis, Kartoffeln und Mais nicht kaltwasserlöslich ist, muss sie durch
Alkalieinwirkung in eine lösliche Form überführt werden. Die Verkleisterung bei Stärke tritt
erst ab einer Temperatur von ca. 65 °C ein. Durch unterschiedliche Molekülmodifikationen
konnte das Einsatzgebiet der Stärke in den letzten Jahren erweitert werden.
Anwendungsmöglichkeiten bei der Herstellung von Holzwerkstoffen sind beispielsweise
Bindemittelformulierungen auf Basis von Stärkeleimen kombiniert mit Phenolharzen,
Theoretische Grundlagen 31
Melamin- oder Harnstoff-Formaldehydharzen, durch die bessere Bindefestigkeiten erzielt
werden konnten (MÜLLER, 2005).
Bei den polymerisierenden Stärken wurden den Stärkemolekülen Acrylamidogruppen
aufgepfropft, die über eine Strahlenhärtung zu einem Polymernetzwerk abbinden. Dadurch
besitzen die polymerisierenden Stärken verbesserte Adhäsions- und Festigkeitseigenschaften
sowie eine höhere Wasserstabilität verglichen mit den nativen Stärken (HINTERWALDNER,
1986).
Untersuchungen zur der Verwendung von Stärke haben ergeben, dass enzymatisch abgebaute
und säurehydrolysierte Stärke in Kombination mit Tannin Leimharze ergeben, die als
Bindemittel in der Holzwerkstoffindustrie verwendet werden können (DEPPE und ERNST,
2000). Die Verwendung von Kartoffelpülpe, d.h. der in der Pülpe vorhandenen Reststärke, als
Bindemittel für die Herstellung von Mitteldichten Faserplatten stellt ebenfalls ein naturnahes
Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen dar. Dazu wird unter anderem die in der Pülpe
enthaltene Stärke durch eine mechanisch-enzymatische Vorbehandlung freigelegt und
ermöglicht auf diese Weise die Nutzbarmachung als Stärkeleim (MÜLLER, 2001; MÜLLER
2005).
2.2.2.2.5 Proteine
Proteine sind Makromoleküle, die aus den 20 in der Natur vorkommenden Aminosäuren
zusammengesetzt sind. Aminosäuren sind grundsätzlich aus einer Carboxylgruppe (-COOH),
einer Aminogruppe (-NH2) und einem Rest aufgebaut. Der Rest ist bei jeder Aminosäure am
mittleren C-Atom, welches die Carboxyl- und die Aminogruppe miteinander verbindet,
lokalisiert. Dieser Rest entscheidet über die charakteristischen Merkmale einer Aminosäure.
Ist beispielsweise eine zweite Carboxylgruppe am Rest angebunden, so handelt es sich um
eine saure Aminosäure. Daneben gibt es noch basische und die am häufigsten
vorkommenden, neutralen Aminosäuren (KINDL, 1991).
Die erste Stufe zum Bau eines Proteins stellen die Peptidbindungen dar. Über diese
Bindungsform sind die Aminosäuren miteinander verknüpft. Die Peptidbindungen werden
immer durch eine Kondensationsreaktion gebildet, d h. unter Energieverbrauch werden
kovalente Bindungen gebildet. Verbinden sich viele dieser Aminosäuren zu einem einzigen
Molekül, so wird dieses als Polypeptid bezeichnet. Proteine sind große Polypeptid-
32 Theoretische Grundlagen
Makromoleküle, mit einem Molekulargewicht von 104 bis zu 106. Die Proteine zeichnen sich,
da sie aus mehreren tausend Aminosäuren aufgebaut sind, durch einen bestimmten
strukturellen Aufbau aus. Die Primärstruktur ist in spiral- (α–Helix) und zickzackförmige (β-
Faltblatt) gewundene Bereiche aufgeteilt. Diese Bereiche sind wiederum untereinander
gedreht und verwunden und bilden die Tertiärstruktur der Proteine. Erst diese Tertiärstruktur
legt fest, ob es sich bei dem Protein um ein Strukturprotein oder ein Enzym bzw. ob es sich
um ein globuläres oder um ein fadenförmiges Protein handelt (RAVEN et al., 2000).
Sowohl die physikalischen als auch die chemischen Eigenschaften der Proteine werden
hauptsächlich durch ihre Aminosäuresequenzen und den darüber gelagerten Strukturen
bestimmt. Zu den physikalischen Charakteristika der Proteine zählen neben den mechanischen
Belastungen insbesondere die Kälte-, Wärme und Grenzflächenwirkungen, während zu den
chemischen Einflüssen der pH-Wert, mehrwertige Metall-Ionen, organische Lösungsmittel
und wässrige Lösungen von organischen Zusätzen wie Harnstoff, Tenside sowie Reduktions-
und Oxidationsmittel gehören.
Da es sich bei allen in der Natur vorkommenden Aminosäuren um amphotere Verbindungen
mit unterschiedlichen pH-Werten handelt, sind Proteine in der Lage, sowohl als Säuren als
auch als Basen zu fungieren. Die amphoteren Verbindungen sind in der Tatsache begründet,
dass die Aminosäuren, die Monomere der Proteine, stets über mindestens eine
Carboxylgruppe (-COOH) und mindestens eine Aminogruppe (-NH2) verfügen. Die
Seitenketten der Proteine entscheiden über das Löslichkeitsverhalten der Aminosäuren. Je
nach Ausstattung der Seitenketten handelt es sich um hydrophobe, polare, zur Salzbildung
oder zur Bildung von kovalenten Bindungen befähigte Gruppen.
Voraussetzung für die Verwendung von Proteinen als Bindemittel ist, dass es sich um
natürlich lösliche Proteine handelt, die sich in eine unlösliche Form umwandeln lassen. Diese
unlösliche Form kann entweder durch eine thermische Reaktion oder durch die Umsetzung
mit einer reaktiven Komponente erzielt werden (KRUG, 2001a). Die durch chemische oder
physikalische Einwirkung hervorgerufene Strukturveränderung wird auch als Denaturierung
bezeichnet. Bei der Denaturierung entfalten sich die Polypeptidketten und die Tertiärstruktur
des Proteins wird zerstört (ULRICH, 2002). Ein Beispiel dafür ist die Bindemittelformulierung
von Sojaproteinen, die zunächst mit Natronlauge versetzt werden um eine Quellung zu
bewirken. Nach dem Quellvorgang wird Kalziumhydroxid in gewissen Anteilen beigemischt,
wodurch der Sojaproteinleim gelatiniert. Durch den Heißpressvorgang wird das Bindemittel
dann in eine vollständig unlösliche Form gebracht (KRUG, 2001a). Dabei ist zu beachten, dass
Theoretische Grundlagen 33
die physikalische Denaturierung aufgrund von Hitzeeinwirkung durch Aggregation der
denaturierten Proteinmoleküle irreversibel werden kann (NUHN, 1997).
Begründet in ihren vielfältigen charakteristischen Merkmalen werden seit geraumer Zeit
Untersuchungen zur Verwendung von Proteinen als Bindemittel durchgeführt. Im Mittelpunkt
der Untersuchungen standen und stehen dabei unterschiedliche Proteine, die entweder nach
ihrer Rohstoffbasis oder nach ihrem Ursprung unterschieden werden. Dabei können die
Proteine in vier Gruppen unterteilt werden:
• Albumine (Wasserlösliche Proteine, z.B. Blut- und Eiweißalbumin)
• Glutine (Tierisches Bindegewebe)
• Kaseine (Hauptbestandteil des Milcheiweißes)
• Pflanzliche Proteine (Mais-, Soja-, Weizenprotein)
Bei den verwendeten pflanzlichen Proteinen aus Mais, Soja oder Weizen handelt es sich in
den meisten Fällen um reine Proteinmehle, die unter sehr hohem Arbeits- und Kostenaufwand
hergestellt werden. Die Samen werden dazu geschält, getrocknet, gemahlen und anschließend
mit Wasser versetzt. Durch eine Erhöhung des pH-Wertes auf 8-10 gehen diese Proteine dann
in Lösung. Bedingt durch die anschließende Absenkung des pH-Wertes auf 4,5 fallen die
Proteine aus und können von der Flüssigkeit getrennt werden. Durch die abschließende
Neutralisierung des pH-Wertes können die Proteine dann zu Pulver sprüh- oder
gefriergetrocknet werden (BIETZ und LOOKHART, 1996). Aufgrund des komplexen
Herstellungsverfahrens sind diese Proteinpulver sehr teuer und daher für eine Verwendung als
Bindemittel in der Holzwerkstoffindustrie aus Kostengründen nicht geeignet.
WEAKLEY et al. (1963) berichteten zu Anfang der 60er Jahre von einer Leimflotte, die sowohl
aus pflanzlichen Proteinen als auch aus tierischen Albuminen bestand. Diese Leimmixtur aus
Sojaproteinen und Blut wurde sehr erfolgreich und lange für das Heißverpressen von
Pinienfurnieren in den USA eingesetzt.
Ein möglicher Einsatz von minderwertigen Getreidemehlen als Füllstoff und Streckmittel von
Harnstoff-Formaldehyd-Harzen bei der Herstellung von Spanplatten wurde ebenfalls in
Untersuchungen zu Beginn der 60er Jahre von DEPPE und ERNST (1964) sowie von ARNOLD
(1964) erforscht. Zum Ende der 80er Jahre und zu Beginn der 90er Jahre wurden weitere
Versuche von DIX und MARUTZKY (1988) als auch von ROFFAEL und DIX (1992)
34 Theoretische Grundlagen
durchgeführt, die den Einsatz von minderwertigen Getreidemehlen als Streckmittel für
polymere Diisocyanate zum Ziel hatten.
In Untersuchungen zur Optimierung der Feuchtebeständigkeit von Harnstoff-Formaldehyd-
Harzen mit tierischen Ei-Albuminen und Kollagen zur Verleimung von Sperrholz konnten
WANG und PIZZI (1997) zeigen, das aufgrund einer Vernetzung der sekundären
Aminogruppen aus der Proteinkette mit Formaldehyd und reaktiven Metholgruppen der
Harnstoff-Formaldehyd-Harze ein Protein/UF-Gel entsteht, welches die Wasserresistenz der
hergestellten Sperrhölzer wesentlich erhöht. Die verwendete Leimflotte bestand aus einem Ei-
Albumin-Formaldehydleim, der zum zusätzlich verwendeten konventionellem Harnstoff-
Formaldehyd-Harz beigemischt wurde.
SIRCH und KEHR (1997) führten Untersuchungen zur Eignung verschiedener pflanzlicher
Proteine als Bindemittel zur Herstellung von einschichtigen Spanplatten und Mitteldichten
Faserplatten durch. Dabei wurden vornehmlich Proteinisolate aus Soja, Mais und Weizen
getestet. Die Ergebnisse der mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit diesen
unterschiedlichen, naturnahen Proteinleimen hergestellten Holzwerkstoffe ergaben, dass die
mit Weizenproteinen gebundenen Spanplatten die besten Festigkeitseigenschaften aufwiesen.
Die aus diesen Werkstoffen emittierten Mengen an Formaldehyd entsprachen der
Formaldehydabgabe natürlich gewachsenen Holzes, da mit den naturnahen Proteinleimen
kein zusätzlicher Formaldehyd zu den Werkstoffen hinzugegeben wurde.
Weiterführende Arbeiten von KRUG und SIRCH (1999) beschäftigten sich mit einer anteiligen
Substitution von Phenol-Formaldehyd-Harz durch Weizenproteinisolate. Bei der Herstellung
von 16 mm starken, einschichtigen Spanplatten führte eine 25 %ige Substitution von Phenol-
Formaldehyd-Harz durch die eingesetzten Weizenproteine zu sehr guten Trocken- und
Kochquerzugfestigkeiten. Weiterführende Forschungsarbeiten zur anteiligen Substitution von
Phenol-Formaldehyd-Harzen durch Weizenproteine wurden später auch zur Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten durchgeführt (KRUG, 2003).
Bezüglich ihrer Dauerhaftigkeit sind die synthetischen Bindemittel den natürlichen
Bindemitteln überlegen. Mit synthetischen und natürlichen Bindemitteln auf Sojaproteinbasis
hergestellte Hochdichte und Mitteldichte Faserplatten, bestehend aus Holzfasern und
Einjahrespflanzen, unterschieden sich hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit erheblich. Die mit
synthetischen Bindemitteln hergestellten Holzwerkstoffe zeigten eine deutlich höhere
Widerstandsfähigkeit gegenüber natürlichen, äußeren Einflüssen (KUO et al., 1998).
Theoretische Grundlagen 35
KAMOUN et al. (1998) führten Untersuchungen durch, wobei sie Weizenmehle als Füllstoff in
Phenol- und Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen Holzwerkstoffen einsetzten. Dabei
stellte sich heraus, dass der Einsatz von Weizenmehl sowohl einen Einfluss auf die
Harzaushärtung als auch auf die Festigkeiten der hergestellten Werkstoffe hatte. Aufgrund der
Tatsache, dass durch die Stärkepolymere des Weizenmehls beim Verpressen ein verknüpftes
Netzwerk entstand wurde das Weizenmehl auch als aktiver Füllstoff bezeichnet.
Neueste Untersuchungen beschäftigen sich beispielsweise mit dem Einsatz von
Protein/Phenol-Harzen und Protein/Melamin-Harnstoff-Harzen im Holzbau (RÜHL, 2002) und
der Verwendung von Proteinen als Bindemittel zur Herstellung von ein- oder mehrlagigen
Massivholzplatten (KRUG u. WEBER, 2005).
Es ist festzustellen, dass sowohl tierische als auch pflanzliche Proteine als Grundstoff für die
Entwicklung von natürlichen Bindemitteln und die Formulierung von Leimflotten geeignet
sind. Vergleicht man den Einsatz von tierischen und pflanzlichen Proteinen jedoch unter rein
ökologischen Gesichtspunkten, so erscheint die Verwendung von tierischen Proteinen als
nicht sinnvoll. Alle tierischen Proteine sind genau genommen grundsätzlich pflanzlichen
Ursprungs. Die Tiere können die über die Nahrung aufgenommenen pflanzlichen Proteine
nach Abbau zu Aminosäuren zwar in ihren eigenen Proteinaufbau integrieren, der
Wirkungsgrad liegt jedoch unter 5 % und ist daher energetisch nicht bedeutend
(BORCHERDING und LUCK, 1995). Ein weiterer Grund, der die Verwendung pflanzlicher
Proteine forciert, ist ihre ständige Verfügbarkeit. Bedingt durch die enormen Mengen an
pflanzlichen Proteinen, die bei der ganzjährigen Stärkeherstellung anfallen, sind die
pflanzlichen Proteine den tierischen Proteinen weit überlegen (KRUG et al., 2001 b).
Das in dieser Dissertation verwendete Weizenprotein der Fa. CERESTAR ist ein Produkt, das
nur rein pflanzliche Weizenproteine als Rückstände enthält. Auch wenn es sich bei den
Proteinen nur um Rückstände handelt, weist das Weizenprotein jedoch die oben im Text
beschriebenen, charakteristischen Merkmale von Proteinen auf (CERESTAR, 2004). Da es sich
um ein Nebenprodukt handelt, das bei der Glucosesirupherstellung anfällt, ist es ganzjährig
verfügbar. Der Vorteil des Weizenproteins gegenüber den bereits beschriebenen
Proteinbindemitteln ist, das es sich hierbei bereits um eine Dispersion handelt, die ohne
weitere kostenintensive und zeitaufwändige Modifizierungen als Bindemittel verwendet
werden kann.
36 Theoretische Grundlagen
Laut aktueller (2004) Angaben der Stärkeindustrie fallen alleine in der Bundesrepublik
Deutschland durchschnittlich 1,2 Mio. t Weizen (Triticum aestivum) pro Jahr an, die zur
Herstellung von Stärke und Stärkederivaten genutzt werden (CERESTAR, 2004). Da der
Einsatz von Stärke und modifizierten Stärkeprodukten in vielen Industriezweigen in den
vergangenen Jahren enorm an Bedeutung gewonnen hat, ist in den kommenden Jahren auch
mit einem steigenden Weizenanbau zu rechnen.
Weizensamen enthalten durchschnittlich 10 % - 14 % Proteine. Den Hauptbestandteil, mit
einem Anteil von 60 % bis 65 %, bilden die Kohlenhydrate (FRANKE, 1997). Die
Weizenproteine bestehen zu 44 % aus dem elastischen Glutein und zu 56 % aus dem viskosen
Gliadin. Das Glutein ist dabei sowohl aus hoch- als auch aus niedermolekularen Anteilen
aufgebaut, die wiederum über Disulfidbrücken und nicht kovalenten Bindungen zu Polymeren
aggregiert sind. Die niedermolekularen Gliadine sind ausschließlich über nicht kovalente
Bindungen miteinander verknüpft (BERGTHALLER, 1997).
Weizenzusammensetzung
Stärke60%
Feuchte12%
Fasern9%
Zucker3%
Fette2%
Proteine14%
Abbildung 2-10: Prozentuale Weizenbestandteile (CERESTAR, 2004)
Wie in Abbildung 2-10 dargestellt fallen bei der Stärkeverarbeitung bzw.
Glucosesirupherstellung aus Weizenmaterial pro verarbeiteter Tonne durchschnittlich 14 %
oder umgerechnet 140 kg Proteine in Form eines Nebenproduktes an, die zurzeit nahezu
ungenutzt bleiben. Des Weiteren setzt sich dieses Nebenprodukt im Schnitt aus 9 % Fasern
und 3 % Zucker zusammen. Die Fette sind bedingt durch die Herstellung der Stärke bzw. des
Glucosesirups nicht im Nebenprodukt enthalten; der Feuchtegehalt von ursprünglich 12 % im
Weizen erhöht sich auf bis zu 80 % im Nebenprodukt, da die Stärke aus dem
Theoretische Grundlagen 37
Ausgangsmaterial ausgewaschen wird und ein Großteil des dafür verwendeten Wassers im
Nebenprodukt verbleibt.
Aufgrund unterschiedlicher Herstellungsverfahren und leichten Schwankungen in der
Zusammensetzung des Ausgangsmaterials können die Werte bzgl. des Protein-, Zucker- und
Fasergehaltes von den in Abbildung 2-10 dargestellten Angaben abweichen. Bedingt durch
die enormen Mengen dieses Nebenproduktes, die während der Verarbeitung anfallen, ist die
Stärkeindustrie zu erheblichen finanziellen Anstrengungen gezwungen, die sich von der
Bereitstellung möglicher Lagerkapazitäten für dieses Material, über die Trocknung bis hin zu
einem organisierten Verkauf des Nebenproduktes erstrecken.
2.2.3 Zugabestoffe
2.2.3.1 Hydrophobierungsmittel
Um ein Anquellen der Mitteldichten Faserplatten bei einer späteren Behandlung mit
Wasserlacken oder wässrigen Leimen zu verhindern, werden Hydrophobierungsmittel bei der
Herstellung der Faserplatten verwendet. Auch bei einer späteren Anwendung im Außen- oder
Feuchtbereich ist die Verwendung von Hydrophobierungsmitteln unerlässlich.
Als Hydrophobierungsmittel wird dabei fast ausschließlich Paraffin eingesetzt, da sich der
Einsatz anderer Wasserabweisender Stoffe, wie z.B. Metallseifen oder Silikone, als nicht
erfolgreich herausstellte. Das Wachs wird dabei in Dosierungen von 0,3 % bis 1,0 %, bezogen
auf absolut trockene Fasern, entweder als geschmolzenes Material direkt im Refiner oder als
wässrige Dispersion bei der Blowline- bzw. der Mischerbeleimung mit den Fasern vermischt
(DEPPE und ERNST, 1996). Als Hydrophobierungsmittel werden in der vorliegenden Arbeit die
beiden Paraffine HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL, ehemals EXXON
MOBIL, verwendet. Bei den beiden Paraffinen handelt es sich um Hydrophobierungsmittel, die
in Form einer Dispersion vorliegen und direkt in die Leimflotten mit eingebracht werden
können. Diese Paraffindispersionen werden in der Holzwerkstoffindustrie seit langer Zeit
erfolgreich eingesetzt und unterscheiden sich nur geringfügig hinsichtlich ihres
Feststoffgehaltes sowie ihrer Viskosität (SASOL WAX GmbH, 2003; SASOL WAX GmbH
2004a; SASOL WAX GmbH 2004b).
38 Theoretische Grundlagen
2.2.3.2 Härter und Beschleuniger
Um ein vollständiges Aushärten der Harnstoff-Formaldehyd- und der Melamin verstärkten
Harnstoff-Formaldehyd-Harze unter Temperatur- und Druckeinwirkung in der Heißpresse zu
erzielen, werden von der Holzwerkstoffindustrie bei der Herstellung von Mitteldichten
Faserplatten Härter verwendet. Da diese Aminoplastharze sauer katalysiert sind (siehe dazu
auch Kapitel 2.2.2.1.1 und 2.2.2.1.3), muss es sich bei den benötigten Härtern um sauer
reagierende Substanzen handeln (DEPPE und ERNST, 1996).
2.2.3.3 Formaldehyd-Fängersubstanzen
Langfristige Formaldehydemissionen treten noch immer bei UF-, PF- und MUF-Harz
gebundenen Holzwerkstoffen auf, obwohl das Molverhältnis in diesen Bindemitteln so weit
wie technisch möglich von der Industrie reduziert wurde (vgl. dazu auch Kapitel 2.2.2.1.1 und
2.2.2.1.3). Da aufgrund verfahrenstechnischer Aspekte bei der Verklebung der Anteil des
Formaldehyds immer noch gering höher sein muss als der des Harnstoffes wird nicht der
gesamte Formaldehyd bei der Heißpressung gebunden.
Um Formaldehydausdampfungen zu vermeiden werden von der Holzwerkstoffindustrie bei
der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten Formaldehyd-Fängersubstanzen eingesetzt.
Dazu wird in Dosierungen von 0,5 % bis maximal 5 % bezogen auf Flüssigharz Harnstoff in
die Leimflotte beigemischt. Eine zu hohe Dosierung wirkt sich jedoch negativ auf das
Quellverhalten unter Wassereinwirkung und die Festigkeiten der Holzwerkstoffe aus (DEPPE
und ERNST, 1996).
2.2.3.4 Fungizide
Sind Faserplatten langfristig einer feucht-warmen Umgebung ausgesetzt, so besteht die
Gefahr einer Kontamination durch Pilzsporen. Um eine Besiedlung der Mitteldichten
Faserplatten mit Pilzen zu vermeiden, ist der Einsatz eines Fungizids erforderlich. Dies ist vor
allem bei MDF-Platten der Fall, die in Feucht- und Außenbereichen verwendet werden oder
für spezielle Anwendungen unter extremer Feuchteeinwirkung vorgesehen sind.
Als Fungizide werden in der Holzwerkstoffindustrie Xyligen oder Kaliumhydrogenfluorid in
unterschiedlichen Dosierungen, je nach späterem Anwendungszweck, eingesetzt (DEPPE und
Theoretische Grundlagen 39
ERNST, 1996). Fungizide liegen sowohl in Pulverform als auch in Form von Dispersionen vor
und werden in den benötigten Mengen der Leimflotte bei der Herstellung der Werkstoffe
beigemischt. Im Rahmen dieser Dissertation wird das Fungizidpulver MERGAL S 88 der FA.
TROY zur Herstellung pilzgeschützter Faserplatten verwendet.
2.3 Aufschlussverfahren von Holz zur Herstellung von Faserplatten
Der Begriff Faserstoff bezeichnet ein Material, das man erhält, wenn Holz oder andere
lignocellulosehaltige Rohstoffe, zum Beispiel Ein- oder Mehrjahrespflanzen wie Hanf und
Flachs, in die Grundelemente ihrer Zusammensetzung, d.h. sowohl in einzelne Fasern als
auch in Faserbündel, aufgelöst werden.
Das in Kapitel 1.1 beschriebene Masonite- oder Dampfexplosions-Verfahren nach dem
Amerikaner MASON und das nach dem Schweden ASPLUND benannte ASPLUND- oder
Defibrator-Verfahren sind auch heute noch die grundlegenden Verfahren um qualitativ
hochwertigen Faserstoff herzustellen.
2.3.1 Masonite- oder Dampfexplosions-Verfahren
Die heute nach dem Masonite- oder Dampfexplosions-Verfahren arbeitenden Anlagen werden
auch als Mason-Kanonen bezeichnet. Dabei werden die Hackschnitzel zuerst in Silos durch
flächige Wasserbenetzung auf eine mittlere Feuchte von 50 % bis 60 % gebracht.
Anschließend wird das befeuchtete Holzmaterial in die so genannten Mason-Kanonen
transportiert. In den Mason-Kanonen wird nach dem Befüllen und dem luftdichten Verschluss
ein Druck von ca. 70 bar und eine Temperatur von 300 °C aufgebaut. Durch das plötzliche
Öffnen des Bodenventils wird der zuvor aufgebaute Druck schlagartig herabgesetzt. Aufgrund
der explosionsartigen Entspannung und dem Aufschlag auf ein Auffangsieb lösen sich die
Fasern und Faserbündel aus ihrem Verband. Das Ergebnis ist ein moosartiger und filziger
Faserstoff. Bei diesem Verfahren ist, bedingt durch die plötzliche Druckentladung, eine
Deformierung von Einzelfasern und Zellelementen charakteristisch. Die Ausbeute dieses
Verfahrens liegt bei ca. 84 %. Die Verluste entstehen vor allem durch die hohen
Aufschlusstemperaturen bei der Dampf-Druck-Behandlung der Holzschnitzel in Form von
Ameisensäure, Essigsäure und Kohlendioxid.
40 Theoretische Grundlagen
2.3.2 ASPLUND- oder Defibrator-Verfahren
Das Holz in Form von Hackschnitzeln wird in 160 °C bis 180 °C heißem Wasser bei einem
Druck von 8 bar bis 12 bar aufgeschlossen. Nach der Plastifizierung gelangt das Material in
einen Defibrator. Der Defibrator besteht aus zwei sich gegeneinander drehenden
Mahlscheiben, zwischen denen das Material zerfasert wird. Dabei ist der Abstand zwischen
den beiden Mahlscheiben entscheidend für die spätere Stärke und Länge des Fasermaterials.
Bei der Zerfaserung herrscht im Defibrator ein konstanter Druck von 11 bar.
Gegenüber dem Masonite- oder Dampfexplosionsverfahren unterliegt das Holz bei den
milderen Aufschlussbedingungen des ASPLUND- oder Defibrator-Verfahrens weniger
chemischen Veränderungen. Die Vorteile des ASPLUND- oder Defibrator-Verfahrens sind ein
hellerer Faserstoff, resultierend aus den geringeren Aufschlusstemperaturen, ein geringerer
Verlust und damit eine höhere Ausbeute.
2.4 Hauptarbeitsstufen bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten
Als Rohstoff wird grundsätzlich Holz verwendet, aus dem nach Lagerung, Vorbehandlung
und Zerkleinerung zu Hackschnitzeln, Faserstoff hergestellt wird (vgl. auch Kapitel 2.3.1 und
Kapitel 2.3.2). Der Faserstoff wird anschließend mit einem Bindemittel (siehe Kapitel 2.2.2.1
und Kapitel 2.2.2.2) versetzt, dies geschieht entweder durch stationäre Mischerbeleimung
oder durch das Blowline-Verfahren. Entscheidend bei beiden Beleimungsvarianten ist, dass
der Sprühnebel des verwendeten Bindemittels bei der Beleimung eine Kegelform aufweist,
um eine möglichst gleichmäßige Leimverteilung auf den Fasern zu gewährleisten.
Verantwortlich für diese Kegelform ist zum einen die Viskosität der Bindemittel (vgl. dazu
auch Kapitel 3.1.3.1) und zum anderen der Luftdruck mit dem die Leimflotten versprüht
werden. Anschließend werden die beleimten Fasern auf die gewünschte Feuchte getrocknet
und in einen Dosierbunker transportiert. Nach der Lagerung im Dosierbunker wird ein
endloses Faservlies gestreut, das in einer Heißpresse (Mehretagenpresse, Conti-Pressanlage,
etc.) bei definierten Pressparametern (Temperatur, Druck und Zeit) zu Faserplatten verpresst
wird. Nach dem Pressvorgang werden die Mitteldichten Faserplatten thermisch
nachbehandelt, klimatisiert, auf Format geschnitten und geschliffen. Anschließend werden sie
sortiert und gelagert. Die Fasern bzw. Faserplatten werden während des Produktionsablaufes
mit Hilfe von Luft, Transportschnecken und Transportbändern zu den einzelnen
Produktionsstationen befördert.
Theoretische Grundlagen 41
2.4.1 Verfahrensvarianten bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten
Die verschiedenartigen Fertigungstechnologien sowie die dazugehörigen Verfahrensabläufe
zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten lassen sich grundsätzlich in drei
Verfahrensvarianten unterteilen. Diese drei Verfahren sind:
• Nassverfahren
• Halbtrockenverfahren
• Trockenverfahren
Die Unterschiede zwischen den einzelnen oben genannten Verfahren liegen in der
Endbehandlung, d.h. dem Pressen bzw. Trocknen des Faservlieses. Die Hauptarbeitsstufen,
wie in Kapitel 2.4 beschrieben, sind bis zur Vliesbildung bei allen Verfahren analog. Erst
nach der Vliesbildung muss eine spezielle, auf das Endprodukt ausgerichtete Behandlung
durchgeführt werden. Ein wesentlicher, charakteristischer Unterschied zwischen den
einzelnen Verfahren ist dabei der Feuchtigkeitsgehalt der Fasern vor und während der
Vliesbildung. Aufgrund dieser unterschiedlichen Feuchtegehalte der Faservliese vor und
während des Pressvorgangs in der Heißpresse hat jede Verfahrensvariante daher seine
spezifischen Pressparameter.
2.4.1.1 Nassverfahren
Das Faservlies beim Nassverfahren wird aus Nadelholzfaserstoff hergestellt. Der
Feuchtegehalt des beleimten Vlieses beim Nassverfahren liegt zwischen 150 % und 300 %
bezogen auf atro Faser. Der Feuchtegehalt kommt daher zustande, da die Vliesbildung mit
Hilfe von Wasser erfolgt (LAMPERT, 1966). Mit diesem Feuchtegehalt gelangt das gestreute
Faservlies dann in die 180 °C bis 205 °C heiße Presse. Der Pressdruck liegt bei 49 x 105
N/m². Damit das Wasser, größtenteils in Form von Wasserdampf, beim Heißpressen besser
entweichen kann, wird auf einer Seite der Faserplatte ein Sieb untergelegt. Faserplatten,
hergestellt nach dem Nassverfahren, weisen daher immer eine charakteristische
„Siebrückseite“ auf. Nachteile dieses Verfahrens sind der hohe Wasserverbrauch und die
damit verbundenen hohen Abwasserreinigungskosten.
42 Theoretische Grundlagen
2.4.1.2 Halbtrockenverfahren
Das Halbtrockenverfahren ist eine Verbindung des Trocken- und Nassverfahrens. Dies zeigt
sich darin, dass das Faservlies wie beim Trockenverfahren, über Luft oder andere
mechanische Mittel gestreut wird, der Feuchtegehalt des Faservlieses mit 12 % bis 45 %,
bezogen auf atro Faser, jedoch höher ist als beim Trockenverfahren. Die Presstemperaturen
und Pressdrücke liegen mit 180 °C bis 260 °C und 6 x 105 N/m² bis 25 x 105 N/m² im
gleichen Bereich wie beim Trockenverfahren. Die nach dem Halbtrockenverfahren
hergestellten Mitteldichten Faserplatten weisen ebenfalls eine „Siebrückseite“ wie die
Faserplatten des Nassverfahrens auf, da ein Sieb zur besseren Wasserdampfabfuhr während
des Pressvorgangs verwendet wird (LAMPERT, 1966).
2.4.1.3 Trockenverfahren
Das Streuen des Faservlieses beim Trockenverfahren erfolgt mittels Luft oder mechanischen
Mitteln. Im Unterschied zum Nassverfahren wird hierbei auch Laubholzfaserstoff von
Laubhölzern mit höherer Rohdichte eingesetzt. Grund dafür ist die kurze und schlanke
Geometrie der Fasern gegenüber den längeren Nadelholzfasern. Sie eignen sich besser für die
pneumatische Förderung als Fasermaterial aus Nadelhölzern. Das Faservlies besitzt einen
Feuchtegehalt von 5 % bis 10 % bezogen auf atro Faser wenn es in die Heißpresse gelangt.
Die Presstemperaturen liegen dabei zwischen 180 °C und 240 °C. Es wird mit einem
Pressdruck gearbeitet, der zwischen 6 x 105 N/m² und 25 x 105 N/m² variieren kann (DEPPE
und ERNST, 1996).
Auf Grund heutiger Bestimmungen, wie z.B. die karzinogene Einstufung von Eichen- und
Buchenstaub, werden jedoch hauptsächlich Nadelholzfasern eingesetzt. Ausnahmen stellen
die regional geringen Beimischungen von Laufholzfaserstoffen der Baumarten Fagus spec.,
Quercus spec. und Betula spec. dar.
2.5 DIN- und EN- Vorschriften für Holzfaserplatten
Holzwerkstoffe aus der laufenden Produktion werden konstant anhand definierter
Prüfverfahren untersucht, damit eine spätere, reibungslose Verwendung in der Bau- und
Möbelindustrie gewährleistet ist. Diese Prüfverfahren wurden vom Deutschen Institut für
Theoretische Grundlagen 43
Normung (DIN) entwickelt und sind in letzter Zeit, im Rahmen einer europäischen
Marktwirtschaft in Zusammenarbeit mit dem europäischen Komitee für Normung, in
Europäische Normen (EN) umgewandelt worden. Dabei sind für die einzelnen
Holzwerkstoffarten sowie ihre unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten genaue
Vorgaben hinsichtlich ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften festgelegt worden um
einen europäischen Standard für Holzwerkstoffe zu garantieren.
Der Bereich der Holzfaserplatten wird nach DIN EN 316 anhand verschiedener Kriterien
klassifiziert. Dies geschieht hauptsächlich anhand des Herstellungsverfahrens (vgl. dazu auch
Kapitel 2.4.1), der Dicke und Rohdichte sowie spezifischer Eigenschaften und späterer
Verwendungszwecke. Hinsichtlich ihres Herstellungsverfahrens werden die Holzfaserplatten
nach dem Nassverfahren, Faserfeuchte im Stadium der Plattenformung > 20 %, und dem
Trockenverfahren, Faserfeuchte im Stadium der Plattenformung < 20 %, unterschieden
(DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998 b). Das Halbtrockenverfahren (siehe auch
Kapitel 2.4.1.2) wird bei dieser Klassifizierung nicht berücksichtigt. Daher weichen die
beleimten Faserfeuchten in den nachfolgenden Beschreibungen von den Angaben in Kapitel
2.4.1 ab.
Die Platten nach dem Nassverfahren lassen sich zunächst grob nach ihrer Fertigungsrohdichte
klassifizieren. Die Holzfaserplatten werden anhand dieser Klassifizierung in Harte Platten
(Dichte ≥ 900 kg/m³), Mittelharte Platten (Dichte ≥ 400 kg/m³ bis < 900 kg/m³) und Poröse
Platten (Dichte ≥ 230 kg/m³ bis < 400 kg/m³) unterteilt. Bei den Mittelharten Platten gibt es
dann noch zwei weitere Unterkategorien; einerseits die Mittelharten Platten geringer Dichte
(400 kg/m³ bis < 560 kg/m³) und andererseits die Mittelharten Platten hoher Dichte mit
Rohdichten von 560 kg/m³ bis < 900 kg/m³ (DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998
b).
Die Holzfaserplatten nach dem Trockenverfahren haben eine beleimte Feuchte von weniger
als 20 % bei der Vliesbildung und eine Fertigungsrohdichte von ≥ 450 kg/m³. Die
Mitteldichten Faserplatten (MDF) werden nach dem Trockenverfahren unter Zusatz eines
synthetischen Bindemittels unter Druck und Hitze hergestellt. Dabei liegen die
Endfertigungsrohdichten von den in Europa hergestellten MDF ≥ 600 kg/m³. Die
Mitteldichten Faserplatten lassen sich anhand ihrer Fertigungsrohdichte nicht weiter
klassifizieren, da moderne Produktionstechnologien eine Variation der Rohdichte unabhängig
von der Plattenstärke erlauben (DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998 b).
44 Theoretische Grundlagen
Die Holzfaserplatten nach dem Nass- und Trockenverfahren lassen sich noch anhand
zusätzlicher Eigenschaften und Anwendungen klassifizieren. Dabei wird hinsichtlich der
späteren Anwendungsbedingungen in Trocken-, Feucht- und Außenbereich differenziert. Die
Verwendungszwecke gliedern sich in allgemeine und tragende Verwendung. Bei einer
tragenden Verwendung wird noch weiter unterschieden hinsichtlich der Lastwirkungsdauer
(DEUTSCHEN INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998 b).
Bei den im Rahmen dieser Dissertation hergestellten Mitteldichten Faserplatten handelt es
sich ausschließlich um Holzfaserplatten, die nach dem Trockenverfahren mit
Endfertigungsrohdichten im Bereich von ≥ 650 kg/m³ bis ≤ 800 kg/m³ hergestellt werden.
Eine spezielle Differenzierung hinsichtlich einer späteren Anwendung im Trocken-, Feucht-
oder Außenbereich ist nicht vorgesehen. Die spätere Verwendung beschränkt sich auf eine
allgemeine Verwendung.
2.6 Holzabbau durch Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger
Es stehen für die Bewertung pilzlicher Holzabbauprozesse unterschiedliche Analysemethoden
zur Verfügung, die alle auf chemischen bzw. strukturellen Veränderungen im Holz durch den
Einfluss von Pilzen basieren. Dabei lassen sich die Holzzerstörenden Pilze in drei Gruppen
einteilen. Dies sind die Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger. Für den Holzabbau bzw. die
Holzzersetzung in der Natur durch Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger sind vorwiegend der
Holzaufbau der Bäume und die enzymatische Ausstattung der Pilze verantwortlich
(SCHWARZE et al., 1999).
Da sich sowohl Laub- und Nadelbäume, als auch die einzelnen Baumarten selbst in diesen
Kategorien, in der chemischen Zusammensetzung hinsichtlich ihrer Hauptbestandteile (vgl.
Kapitel 2.1.2) unterscheiden, werden sie in unterschiedlicher Geschwindigkeit und in
unterschiedlichem Umfang von Holzzerstörenden Pilzen abgebaut. Aufgrund der Tatsache,
dass nicht alle Pilze die gleichen Enzyme zum Holzabbau besitzen, können sie unter
Umständen nur bestimmte Teile des Holzes zersetzen.
Es sind daher die Fähigkeiten des Pilzes in welchem Umfang er ein Substrat erschließen und
abbauen kann. Auch die Strategie, mit welcher der Pilz dabei vorgeht, hängt sowohl von
seinen Möglichkeiten, welche Zelltypen und Zellwandbestandteile er zersetzen kann und
seinem Anpassungsvermögen an die Bedingungen des Wirtes ab. Ein Indiz dafür sind die
Theoretische Grundlagen 45
zahlreichen Holzzersetzungsmuster, die bei den unterschiedlichen Pilzen zu beobachten sind
(SCHWARZE et al., 1999).
In den folgenden Kapiteln 2.6.1 bis 2.6.3 werden die charakteristischen Eigenschaften der
Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger erläutert. Die unterschiedlichen Strategien werden
sowohl anhand von Veränderungen im Holzaufbau als auch an Veränderungen in der
chemischen Zusammensetzung hinsichtlich der Hauptbestandteile des Holzes erklärt. Die
Beschreibungen beziehen sich auf Bäume, bei denen unter natürlichen Gegebenheiten eine
Infektion mit Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger stattfand.
Diese Erläuterungen können für die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten
Holzabbauversuche (vgl. Kapitel 3.4.1 und 3.4.2) nur ansatzweise verwendet werden, da sich
durch die Verarbeitung des nativen Kiefernholzes zu industriellem Kiefernfaserstoff bereits
ohne den Einfluss von Pilzen anatomische und chemische Veränderungen im Holzaufbau und
der Zusammensetzung ergeben. Dabei bleibt im Fasermaterial der Aufbau der verholzten
Zellwand nur ansatzweise bestehen. Auch die Mengenanteile an Lignin, Cellulose und
Hemicellulose ändern sich aufgrund der thermischen und mechanischen Aufschlussparameter
bei der Herstellung von Faserstoff. Bei der abschließenden Beurteilung des Holzabbaus durch
Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger (siehe Kapitel 4.3.1 und 4.3.2) sind daher sowohl die
Ergebnisse der analytischen Untersuchungen des Faserstoffes (siehe Kapitel 3.1.1.3 und
3.1.1.4) als auch die morphologischen Untersuchungen des Faserstoffes (vgl. Kapitel 3.1.2) zu
berücksichtigen.
2.6.1 Weißfäule
Die Weißfäule wird vornehmlich durch Basidiomyceten und Ascomyceten an Laub- und
Nadelbäumen hervorgerufen. Bei dieser Form der Holzzersetzung werden sowohl die
Cellulosen und die Hemicellulose als auch das Lignin abgebaut und das Holz nimmt im Laufe
der Zersetzung eine weißliche, gebleichte Farbe an. Die relativen Abbaugeschwindigkeiten
der einzelnen Holzbestandteile und die Reihenfolge, in welcher die Cellulose, Hemicellulose
und das Lignin zersetzt werden, hängen von den Bedingungen im Holz und der jeweiligen
Pilzart ab (SCHWARZE et al., 1999). Dabei werden die zahlreichen Pilzarten der Weißfäule
allgemein in zwei unterschiedliche Formen eingeteilt. Dabei handelt es sich zum einen um die
selektive Delignifizierung und zum anderen um die simultane Fäule (ADASKAVEG &
46 Theoretische Grundlagen
GILBERTSON, 1986). Diese beiden Arten der Weißfäule und ihre charakteristischen Merkmale
werden in den beiden folgenden Kapiteln erläutert.
2.6.1.1 Selektive Delignifizierung
Bei der selektiven Delignifizierung (vgl. Abbildung 2-11) wird durch den Pilz Lignin bereits
im Frühstadium stärker abgebaut als Cellulose oder Hemicellulose. Der Ligninabbau erfolgt
durch die von den Hyphen produzierten Phenoloxidasen wie Laccasen, Tyrosinasen und
Peroxidasen. Aufgrund des bevorzugten Ligninabbaus bilden sich helle Flecken im Holz, bei
denen es sich um die zunächst nicht zersetzte, reine Cellulose handelt. Phellinus pini ist für
dieses Zersetzungsmuster ein typisches Beispiel (SCHWARZE, 1999).
Abbildung 2-11: Stadien der selektiven Delignifizierung (A-D) eines Weißfäuleerregers (SCHWARZE et al., 1999)
Die Mittellamellen, die wie in Kapitel 2.1.3 beschrieben, den höchsten Ligningehalt im
pflanzlichen Zellaufbau aufweisen, werden bei der selektiven Delignifizierung vollständig
abgebaut. Danach findet der Ligninabbau in der Sekundärwand der Zellen statt, wodurch sich
Theoretische Grundlagen 47
dann im Endstadium einzelne Zellen aus ihrem Verbund lösen (HARTIG, 1878, BLANCHETTE
1984). Besonders durch die Delignifizierung der S2-Schicht entstehen deutlich
hervorgehobene, radiale Strukturen (SCHWARZE & ENGELS, 1998).
Eine Verringerung der Festigkeitseigenschaften des durch selektive Delignifizierung
angegriffenen Holzes findet sehr langsam statt, da die Cellulose und Hemicellulose im
Frühstadium der Infektion noch nicht zersetzt werden. Die radialen Strukturen, die sich wie
oben beschrieben in der S2-Schicht bilden, tragen ebenfalls zur Aufrechterhaltung der
Festigkeitseigenschaften bei (SCHWARZE & ENGELS, 1998). Aufgrund der Auflösung der
ligninreichen Mittellamellen und der Trennung einzelner Zellen aus dem Verbund wird die
Konsistenz des Holzes zunehmend faseriger und ein Verlust an Steifigkeit und
Druckfestigkeit sind festzustellen (SCHWARZE, 1999). Nachdem das Lignin zu großen
Anteilen in den Zellen abgebaut wurde beginnt der Cellulose- und Hemicelluloseabbau. Dies
zeigt sich an den Festigkeitseigenschaften des Holzes deutlich, da der Abbau der restlichen
Holzbestandteile extreme Verringerungen der Zugfestigkeit zur Folge hat (PRATT, 1995).
2.6.1.2 Simultane Fäule
Auch die simultane Fäule (vgl. dazu auch Abbildung 2-12) wird wie die selektive
Delignifizierung durch Basidiomyceten und Ascomyceten hervorgerufen. Die simultane Fäule
tritt überwiegend an Laubbäumen und eher selten an Nadelbäumen auf. Die Bezeichnung
simultane Fäule beruht auf der Tatsache, dass alle Hauptbestandteile des Holzes zu gleichen
Teilen abgebaut werden. Die Hyphen dieser Pilze wachsen im Lumen auf der S3-Schicht,
dabei werden die Zellwände in der unmittelbaren Umgebung der Hyphen abgebaut und es
entstehen Erosionsgräben (SCHWARZE, 1999). Somit ergibt sich ein wesentlicher Unterschied
zum Holzzersetzungsmuster der selektiven Delignifizierung (vgl. Abbildung 2-11). Der
Holzabbau beginnt im Vergleich zu den Erregern der selektiven Delignifizierung nicht bei
den Mittellamellen sondern auf der S3-Schicht.
48 Theoretische Grundlagen
Abbildung 2-12: Stadien der simultanen Fäule (A-D) eines Weißfäuleerregers (SCHWARZE et al., 1999)
Bei der simultanen Fäule werden im Gegensatz zur selektiven Delignifizierung Lignin,
Cellulose und Hemicellulose zu fast gleichen Anteilen abgebaut. Charakteristisch für die
Weißfäuleerreger, die eine simultane Fäule verursachen, ist die Tatsache, dass die von den
Pilzhyphen ausgeschiedenen Enzyme alle Hauptbestandteile der Zellwände zersetzen können
(RAYNER & BODDY, 1988, ERIKSON et al., 1990). Die Erosionsgräben, die sich im Laufe der
Holzzersetzung bilden, fließen mit zunehmender Holzzerstörung immer weiter zusammen und
daher nimmt die Zellwanddicke vom Lumen zur Mittellamelle langsam ab (LIESE, 1970).
Der schnelle Abbau der cellulosereichen Sekundärwand zeigt sich in einem spröden Brechen
des infizierten Holzes. Da die ligninhaltigen Mittellamellen erst spät im Laufe der Infektion
abgebaut werden, besitzt das Holz noch relativ lange eine hohe Steifigkeit. Von den
Holzeigenschaften her ist das durch simultane Fäule zersetzte Holz absolut konträr zu dem
durch selektive Delignifizierung zersetztem Holz. Somit ist eine Unterscheidung der beiden
Weißfäulen bereits allein durch die Prüfung der vorhandenen Holzeigenschaften möglich.
Theoretische Grundlagen 49
2.6.2 Braunfäule
Die Braunfäule wird ausschließlich durch Basidiomyceten verursacht und tritt hauptsächlich
an Nadelbäumen auf. Bei dem Holzabbau durch Braunfäuleerreger werden die Zellulose und
die Hemicellulose im Holz zerstört, das Lignin bleibt in leicht veränderter Form erhalten
(RAYNER, BODDY, 1988; GREEN, HIGHLEY, 1997). Aufgrund ihrer Ontogenese und der sehr
einfachen Holzzersetzung der Braunfäuleerreger können diese im Vergleich zu den
Weißfäuleerregern als eher unflexibel bezeichnet werden. Das Holz erhält durch den
bevorzugten Abbau von Kohlehydraten eine brüchige Konsistenz, es zerbricht würfelähnlich
und zerfällt nach längerer Infektion pulvrig (SCHWARZE, 1999). Durch den relativ schnellen
Celluloseabbau verliert das Holz schon frühzeitig nach dem Befall drastisch an
Biegefestigkeit (WILCOX, 1978; SCHWARZE, 1995). Zerreibt man das Holz zwischen den
Fingern so bleibt lediglich ein braunes Pulver übrig – das Lignin, das durch Braunfäuleerreger
aufgrund der nicht vorhandenen Enzyme nicht abgebaut werden kann.
Der Abbau von Cellulosen und Hemicellulosen durch Basidiomyceten erfolgt in
verschiedenen Schritten und es ergibt sich ein typisches Holzzersetzungsmuster für
Braunfäuleerreger (vgl. dazu auch Abbildung 2-13). Die Celluloseabbauenden Enzyme sind
relativ groß und können nicht ohne weiteres die kleinen Zellwandkapillaren überwinden
(KOENIGS, 1974 a, b), daher wird angenommen, dass zunächst Wasserstoffperoxid, das leicht
in die Zellwände eindringt, zusammen mit Eisenionen durch oxidative Depolymerisation die
Lignocellulosematrix überwindet (KEILISCH, 1970). Die Hemicellulosen, welche die
Cellulosen umhüllen, werden bei diesem Vorgang ebenfalls angegriffen und abgebaut. Somit
können erst nach der Zersetzung der Hemicellulose, die Cellulose durch die Cellulasen
abgebaut werden.
Im Holzaufbau zeigt sich, dass die radialen Strukturen zu Beginn der Holzzersetzung
bevorzugt abgebaut werden. Dadurch entstehen feine Risse in den Sekundärwänden S1 – S3.
Dies ist vermutlich auch die Erklärung für den bereits beschriebenen frühzeitigen Verlust an
Biegefestigkeit beim Befall durch Braunfäuleerreger (SCHWARZE et al., 1999). Der Pilz kann
jedoch die Zellwände der recht widerstandsfähigen S3-Schicht nicht in der unmittelbaren
Umgebung der Hyphen zersetzen. Daher diffundieren die Ektoenzyme der Braunfäuleerreger
durch die S3-Wand hindurch in die cellulosereiche S2-Schicht und zersetzen diese (LIESE,
1963). Die Diffusion erfolgt dabei über die radialen Strukturen des Holzes und der Pilz hat
auf diese Weise die Möglichkeit, Cellulose auch in weiter Entfernung von den Hyphen
50 Theoretische Grundlagen
abzubauen. Ein weiterer Vorteil dieser Strategie ist, dass der Pilz nicht viele Hyphen für den
Celluloseabbau benötigt und somit das Holz sehr schnell zersetzen kann (MEIER, 1955).
Abbildung 2-13: Entwicklungsstadien (A-D) einer Braunfäule (SCHWARZE et al., 1999)
2.6.3 Moderfäule
Moderfäuleerreger treten sowohl an Nadelbäumen als auch Laubbäumen auf und
beschleunigen bei lebendigen Bäumen die natürliche Astreinigung (BUTIN, 1983). Eine
weitere „Substratvariante“ stellen verbaute Hölzer, die der Witterung ausgesetzt sind, für
diese Pilze dar. Das für Moderfäuleerreger typische Holzzersetzungsmuster, graphisch
dargestellt in Abbildung 2-14, wurde zum ersten Mal von SCHACHT im Jahre 1863
dokumentiert. Charakteristisch dafür ist das bevorzugte Wachstum der Hyphen innerhalb der
Sekundärwand, das sich durch längs zur Zellachse ausgebildeter Kavernen darstellt.
Theoretische Grundlagen 51
Abbildung 2-14: Holzzersetzungsmuster von Moderfäule- erregern (SCHWARZE et al., 1999)
Das meistens mit Ascomyceten und Deuteromyceten infizierte Holz weißt eine sehr weiche
Konsistenz auf, woraus sich auch die englische Bezeichnung „soft rot“ abgeleitet hat. Da
Moderfäuleerreger, wie auch die Braunfäuleerreger (vgl. Kapitel 2.6.2), hauptsächlich die
Cellulose und die Hemicellulose im Holz abbauen, entsteht eine weiche Konsistenz. Das Holz
besitzt einerseits eine hohe Steifigkeit, zerbricht jedoch anderseits spröde. Da Lignin nur in
sehr geringen Mengen abgebaut wird, haben die Moderfäuleerreger biochemisch größere
Ähnlichkeit mit den Braunfäuleerregern als mit den Weißfäuleerregern (LIESE, 1963). Im
Gegensatz zur Braunfäule aber analog zur simultanen Fäule bei den Weißfäuleerregern (vgl.
Kapitel 2.6.1) findet die Zersetzung der Cellulose und Hemicellulose in den Zellwänden
immer in der direkten Umgebung der Hyphen statt (SCHWARZE et al., 1999).
Die Moderfäule erregenden Pilze werden aufgrund ihrer unterschiedlichen
Holzabbaustrategien in Typ 1 und Typ 2 unterschieden (CORBETT, 1965), wobei einige
Pilzarten nicht nur auf eine Abbauart spezialisiert sind, sondern auch beide Holzabbauarten
gleichzeitig verursachen können (NIELSSON, 1973).
52 Theoretische Grundlagen
Der Typ 1 zeigt eine deutliche Ausbildung hintereinander aufgereihter Kavernen, die
innerhalb der S2-Schicht in Richtung der Mikrofibrillen orientiert sind (SAVORY, 1954). Die
Entwicklung der Hyphenkanäle erfolgt in sich abwechselnden Wachstumsphasen. Erst nach
Beendigung des Hyphenkanalwachstums folgt die Bildung einer Kaverne um die Hyphe
herum. Dies ist begründet in der Tatsache, dass die Entwicklung eines Hyphenkanals eine
Nährstoffversorgung durch die in der Kaverne befindliche Mutterhyphe voraussetzt. Bei
einem Nährstoffmangel oder der Seneszenz der Mutterhyphe wird der Nährstofftransport
unterbrochen und die Hyphe versorgt sich mit Nährstoffen aus den Holzzellwänden durch die
Bildung von Kavernen (HALE & EATON, 1985 a, b).
Der Typ 2 der Moderfäule erregenden Pilze ist hinsichtlich seines Holzzersetzungsmusters
einer lokalisierten simultanen Fäule (vgl. Kapitel 2.6.1) sehr ähnlich und tritt vorwiegend an
Laubbäumen auf. Die Holzzersetzung geht dabei vom Lumen nach außen hin vonstatten,
wobei sich kleine Erosionsgräben in Form von v-förmigen Kerben bilden (CORBETT, 1965).
Aufgrund neuester Erkenntnisse sind nicht nur Pilzarten der bereits erwähnten Asco- und
Deuteromyceten in der Lage eine Moderfäule hervorzurufen. Auch die Basidiomyceten
können in lebenden Laubbäumen durch eine fakultative Moderfäule die weit reichende
Zersetzung der in den Zellen enthaltenen Cellulose und Hemicellulose verursachen. Dabei
zeigt sich das für Moderfäuleerreger typische Holzzersetzungsmuster (vgl. Abbildung 2-14),
das typische Wuchsbild der Hyphen in den Zellwänden und die damit verbundenen
Strukturveränderungen im Holz. Dieser Nachweis wurde erstmals von SCHWARZE et al.
(1995) am Beispiel eines Weißfäuleerregers, dem Zottigen Schillerporling, erbracht und
konnte später anhand des Riesenporlings (SCHWARZE & FINK, 1998) und des Tropfenden
Schillerporlings (ENGELS, 1998) bestätigt werden. Diese Pilze wurden aufgrund früherer
chemischer Holzanalysen als Weißfäuleerreger eingestuft, da sie auch beim Hervorrufen einer
Moderfäule nicht nur Cellulose und Hemicellulose abbauen, sondern auch in stärkerem
Ausmaß das in den Zellwänden vorhandene Lignin (SCHWARZE et al., 1999).
Material & Methoden 53
3 Material und Methoden
3.1 Analytische Untersuchungen
In Kapitel 3.1.1 bis Kapitel 3.1.3 werden die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten
analytischen Untersuchen beschrieben. Dabei werden sowohl der Kiefernindustriefaserstoff
der Fa. STEICO/Polen (Kapitel 3.1.1 ff. und 3.1.2 ff.) als auch die verwendeten Bindemittel
(Kapitel 3.1.3 ff.) untersucht. Die eingesetzten Bindemittel unterteilen sich dabei in das UF-
Harz Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF, das PF-Harz 1808 HW der Fa. BAKELITE und die
Weizenprotein-Suspension. Diese analytischen Untersuchungen sind wichtig für die spätere
Beurteilung der mechanisch-technologischen Eigenschaften der aus diesen Materialien
hergestellten Mitteldichten Faserplatten. Des Weiteren sind die Ergebnisse dieser analytischen
Untersuchungen bei der Einschätzung eines möglichst realistischen Anwendungsspektrums
der im Rahmen dieser Dissertation entwickelten Weizenprotein-Suspension als Bindemittel
zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten von Bedeutung.
3.1.1 Analytische Untersuchungen des Faserstoffes
Zur Herstellung aller im Rahmen dieser Dissertation angefertigten Mitteldichten Faserplatten
wird Industriefaserstoff der Fa. STEICO/Polen verwendet. Die analytischen Untersuchungen,
die in den folgenden Kapiteln 3.1.1.1 bis 3.1.2.1 beschrieben sind beziehen sich daher
ausschließlich auf den Industriefaserstoff der Fa. STEICO. Nach Herstellerangaben wird dieser
Faserstoff ausschließlich aus Kiefernholz der Holzarten Pinus sylvestris und Pinus radiata in
variierenden Mischungsverhältnissen nach dem Asplundverfahren (vgl. Kapitel 2.3.2) unter
industrieüblichen Produktionsparametern hergestellt. Der in dieser Arbeit verwendete
Faserstoff stammt aus einer Produktionscharge mit einem konstanten Mischungsverhältnis der
beiden Kiefernarten, so dass die Faserqualität als Kriterium für mögliche Schwankungen in
den mechanisch-technologischen Eigenschaften der daraus hergestellten Faserplatten
auszuschließen ist.
Bei den folgenden Versuchsbeschreibungen sowie der Beurteilung und Diskussion der
Ergebnisse ist mit den Begriffen Fasermaterial bzw. Faserstoff ausschließlich der
Industriekiefernfaserstoff der Fa. STEICO gemeint. Sofern ein anderer Faserstoff gemeint ist,
wird dieser im jeweiligen Text namentlich genannt, um Verwechslungen auszuschließen.
54 Material & Methoden
3.1.1.1 Siebkennlinien nach WIHS 74
Dieser Standard gilt für die Charakterisierung von Faserstoff, der durch thermohydrolytischen
Aufschluss im Defibrator hergestellt wird, durch trockenes Siebfraktionieren auf
Prüfmaschinen mit bewegten Siebböden. Folgende Prüfmittel werden dazu benötigt:
Prüfsiebmaschine: Für die Fraktionierung ist eine Prüfsiebmaschine Typ NTS 1, Bauart
VEB Labortechnik, Ilmenau, zu benutzen
Prüfsiebe: Runde Prüfsiebe mit einem Durchmesser von 200 mm, es sind mindestens 6
und maximal 8 Siebe zu verwenden
Siebhilfen: Hartgummikugeln, Durchmesser 20 mm, mit und ohne Metallstifte, Kugeln
mit Metallstiften müssen sechs Stacheln besitzen, die durch drei Metallstifte 1,8 mm x 30
mm gebildet werden und die Kugel symmetrisch durchdringen
Schnellwaage mit einer Wäggenauigkeit von ±0,05 g
Faserstoffproben: Aus unterschiedlichen Zonen der zu prüfenden Faserstoffmenge ist je
eine repräsentative Faserstoffprobe zu entnehmen und durch vierteln aufzubereiten
Jede zu fraktionierende Faserstoffprobe ist vor der Fraktionierung zu wägen und auf das obere
Sieb des Siebsatzes aufzugeben. Die Verwendung von zwei Siebsätzen ist bei einem
entsprechenden Arbeitsumfang empfehlenswert.
Die erste Fraktionierung ist nach den Angaben in Tabelle 3-1 für normal siebbaren Faserstoff
durchzuführen. Danach ist der Rückstand der oberen Siebe visuell zu beurteilen. Beim
Vorhandensein von Zusammenballungen von Fasern ist der Faserstoff als schwierig siebbar
einzuordnen. Andernfalls handelt es sich um normal siebbaren Faserstoff.
Je nach Charakter des Faserstoffes sind entsprechend Tabelle 3-1 die Daten zur
Fraktionierung einzuhalten. Die Verteilung der Siebhilfen nach Tabelle 3-1 erfolgt einerseits
zur Auflockerung des Faserstoffes im Aufgabesieb, anderseits zur Erhöhung der Trennschärfe
der Fraktionierung. Die für das Aufgabesieb bei schwierig siebbarem Faserstoff vorgesehenen
Siebhilfen können auf die nachfolgenden Siebe mit verteilt werden, wenn es in diesen Sieben
ebenfalls zu Zusammenballungen des Faserstoffes kommt.
Die Masse der Fraktionen des Rückstandes je Fraktionierung ist anschließend in das
Fraktionierungsprotokoll einzutragen.
Material & Methoden 55
Tabelle 3-1: Vorschriften für die Trockene Siebfraktionierung nach WIHS 74
Siebbarkeit des Faserstoffes Daten zur Fraktionierung normal schwierig
Siebbeschleunigung (m/s²) 20 25 Siebzeit (min) 15 + / - 0,1 3 x 10 + / - 0,1 Einwaagemasse (g) 13 + / - 2,0 5 + / - 1,0 Anzahl der Siebhilfen
Ohne Metallstifte 2 2 Im Aufgabesieb Mit Metallstiften 2 4
In jedem weiteren Sieb ohne Metallstifte 1 1
Anzahl der Fraktionierungen 3 3 bis 6 Feuchtesatz des Faserstoffes (%) 5 bis 10
3.1.1.2 RAPID-KÖTHEN-Blattbildner (DIN 54358)
In dieser Norm ist ein Verfahren festgelegt, nach dem aus Zellstoffen, Holzstoffen,
Halbstoffgemischen oder Ganzstoffen unter Verwendung des RAPID-KÖTHEN-Gerätes als
Blattbildungs- und Trocknungsanlage Laborblätter hergestellt werden. Diese Laborblätter sind
mit Hilfe genormter oder üblicher Prüfverfahren zu prüfen, um so für die Papierherstellung
wichtige Eigenschaften der zu untersuchenden Stoffe zu ermitteln.
Das gesäuberte Laborblattbildungssieb wird auf das Stützsieb gelegt. Die Füllkammer wird
auf den Siebteil aufgesetzt und die Wasserabflussöffnung der Saugkammer geschlossen. Mit
Hilfe der Verdünnungswasserpumpe wird eine definierte Menge an Wasser in die Füllkammer
gedrückt. Anschließend wird die Suspensionsmenge mit etwa 2,4 g ofentrockener Substanz,
die ein Laborblatt von 75 g/m² (± 2 g/m²) bezogen auf ofentrockenen Zustand ergibt, von
oben in die Füllkammer gegossen und die Füllkammer mit weiterem Verdünnungswasser
aufgefüllt. Ohne Verzögerung wird dann fünf Sekunden lang mittels der Druckluftpumpe Luft
in die Füllkammer gedrückt und so die Stoffsuspension durchwirbelt. Nach Abschalten der
Druckluftzufuhr lässt man die Stoffsuspension fünf Sekunden lang ruhen und entlüften. Die
Entwässerung wird dann durch die Vakuumpumpe, die mit der Saugkammer verbunden ist,
eingeleitet. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Druck in der Saugkammer 270 mbar nicht
überschreitet.
Nach der Entwässerung wird der Trägerkarton mit der glatten Seite zentrisch auf das nasse
Blatt gelegt. Die Gautschrolle lässt man ohne zusätzlichen Druck in zwei zueinander
senkrechten Richtungen innerhalb von 2 Sekunden je einmal über das Blatt hin- und
herrollen. Die Gautschrolle soll dabei auf dem Siebrand, nicht aber auf dem nassen Blatt,
56 Material & Methoden
aufgesetzt werden. Anschließend nimmt man das Laborblattbildungssieb mit dem nassen
Laborblatt und dem Trägerkarton vom Stützsieb ab, dreht es um und schlägt es leicht geneigt
mit dem Rand auf eine horizontale Unterlage, so dass das nasse Laborblatt mit dem
Gautschkarton nach unten abfällt.
Spätestens eine Minute nach dem Abgautschen wird das nasse Laborblatt auf dem
Trägerkarton ruhend auf das Stützsieb des geöffneten Trockners gelegt. Auf das nasse
Laborblatt wird ein Deckblatt gelegt, der Trockner sofort geschlossen und mit Hilfe der
Vakuumpumpe evakuiert. Nach einer Trocknungsdauer von fünf bis sieben Minuten wird die
Vakuumpumpe abgeschaltet, der Trockner belüftet und das fertige Blatt mit Trägerkarton und
Deckblatt entnommen. Anschließend werden das Deckblatt und der Trägerkarton vom
fertigen Laborblatt abgezogen.
3.1.1.3 Bestimmung des Hemicellulosegehaltes im Industriefaserstoff
Der Hemicellulosegehalt von Holz lässt sich mit Hilfe der Methode zur Bestimmung des
Pentosangehaltes ermitteln. Da aus Pentosen (vgl. Kapitel 2.1.2) ca. 50 % der im Nadelholz
enthaltenen Hemicellulosen gebildet werden, kann mit diesem Wert der ungefähre Gehalt an
Hemicellulosen im Holz ermittelt werden. Die restlichen 50 % der Hemicellulose im
Nadelholz entstehen aus der Vorstufe Hexosan.
Die Bestimmung des Pentosangehaltes erfolgt durch die Ermittlung der Menge an Furfurol,
die beim Kochen von Pentosan mit Bromwasserstoffsäure entsteht. Im Rahmen dieser
Dissertation wurde die Pentosanbestimmung mit der Apparatur nach JAYME und NEUHOF
durchgeführt. Diese besteht aus einem 500 ml fassenden Rundkolben, welcher mit einer
Pilzheizhaube erhitzt wird. Der Destillieraufsatz mit einem 100 ml fassenden Tropftrichter ist
durch eine Brücke mit Kugelschliff fest mit dem Rundkolben und einem Kugelkühler
verbunden. Das furfurolhaltige Destillat wird mit einem 250 ml fassenden Messzylinder
aufgefangen.
Die einzelnen Arbeitsschritte sowie die Berechnung des Pentosangehaltes erfolgen nach einer
von der ISO (Abk. für „International Standardisation Organisation“) vorgeschlagenen
Standardmethode, welche überwiegend Untersuchungen von P. O. BETHGE (1958, 1964) und
G. JAYME (1968) zugrunde liegen. Die Bestimmung des Pentosangehaltes gliedert sich in die
folgenden drei Teile:
Material & Methoden 57
Destillation
2 g atro des STEICO-Industriefaserstoffes werden eingewogen und in die Destillationsanlage
mit Pilzheizhaube gegeben. Anschließend gibt man 200 ml 3,2 N Bromwasserstoffsäure
hinzu. Nachdem 90 ml der Flüssigkeit abdestilliert sind werden 90 ml bidestilliertes Wasser
nachgefüllt. Wenn insgesamt 180 ml der Flüssigkeit abdestilliert sind werden 60 ml
bidestilliertes Wasser hinzugegeben. Nachdem insgesamt 240 ml des Gemisches abdestilliert
sind ist die Reaktion beendet und das aufgefangene Destillat wird auf 350 ml mit
bidestilliertem Wasser aufgefüllt und gut durchmischt.
Titration
Dazu füllt man 50 ml des aufgefangenen Destillates in einen 250 ml Erlenmeyerkolben.
Anschließend pipettiert man noch 30 ml Lösung, bestehend aus Salzsäure, Kochsalz und
Kaliumbromid und 20 ml 0,025 N Kaliumbromatlösung in den Erlenmeyerkolben. Zwei
Minuten nach der Zugabe der Kaliumbromatlösung werden 20 ml 1 M Kaliumjodidlösung
und 10 ml 4 M Natriumacetatlösung in den Erlenmeyerkolben pipettiert. Anschließend titriert
man das überschüssige Bromit und Bromat mit 0,025 N Natriumthiosulfatlösung zurück.
In gleicher Weise wird ein Blindversuch durchgeführt. Dabei werden jedoch nur 50 ml
bidestilliertes Wasser anstelle des Destillates bei der Titration verwendet. Die vorhergehende
Destillation ist nicht durchzuführen.
Berechnung
Der Anteil des Pentosans in den untersuchten Proben wird mit Hilfe der im Anhang unter
Kapitel 8.1.1 angegebenen Formeln berechnet.
3.1.1.4 Bestimmung des Ligningehaltes im STEICO Fasermaterial
Die Ermittlung des Gesamtligningehaltes im Industriefaserstoff der Fa. STEICO erfolgt anhand
der von HALSE (1926) entwickelten Methode. Zunächst wird Holzmehl aus den
Faserstoffproben in der Ultrazentrifugenmühle hergestellt. Das Mehl wird dann anschließend
zur Ligninbestimmung verwendet. Für die Ligninbestimmung müssen exakt 1 g atro jeder
Probe eingewogen werden. Da das Holz nicht absolut trocken ist, wird zunächst der
Feuchtegehalt der Proben mit einem Feuchtemessgerät ermittelt. Nachdem der Feuchtegehalt
58 Material & Methoden
der Proben bestimmt ist, lässt sich über einen Dreisatz die entsprechende Menge an Holzmehl
lutro errechnen, die 1 g der Probe atro entspricht.
Die errechneten Mengen an Holzmehl werden jeweils in einen separaten Erlenmeyerkolben
eingewogen und mit 50 ml 37%iger, rauchender Salzsäure übergossen. Die Erlenmeyerkolben
werden anschließend mit einem Deckel verschlossen und 15 Minuten stehen gelassen. Nach
Ablauf der 15 Minuten wird in die Erlenmeyerkolben noch 5 ml konzentrierte Schwefelsäure
hinzu gegeben. Die Lösungen lässt man über Nacht ruhen.
Anschließend wird für den nächsten Tag noch ein Glasfiltriertiegel (Duran G3/D2) gereinigt
und bei 105 °C im Trockenschrank über Nacht gedarrt. Im Exsikkator werden die
Glasfiltriertiegel abgekühlt und auf drei Stellen hinter dem Komma genau gewogen. Dazu
wiegt man die Glasfiltriertiegel zweimal und berechnet den Mittelwert. Die Suspension wird
in ein 1000 ml Becherglas gegeben und anschließend bis zur 500 ml Markierung mit
destilliertem Wasser aufgefüllt. Dabei müssen mögliche Rückstände im Erlenmeyerkolben
sehr gründlich nachgespült werden um Ligninverluste zu vermeiden. Der Inhalt des
Becherglases wird dann 10 Minuten lang gekocht. Während dieser Zeit werden in einem
weiteren Becherglas 400 – 500 ml destilliertes Wasser erhitzt. Hat die Suspension 10 Minuten
lang gekocht wird sie anschließend durch den Filtriertiegel abgegossen. Den dunklen
Rückstand (Lignin/Asche) in dem Tiegel spült man so lange mit dem erhitzten Wasser nach,
bis das Filtrat neutral (pH 7) ist. Der pH-Wert wird mit einem pH-Streifen ermittelt.
Der Glasfiltriertiegel wird dann mit dem Überstand bei 105 °C für 24 Stunden im
Trockenschrank gedarrt. Die Glasfiltriertiegel werden nach 24 Stunden Aufbewahrung im
Trockenschrank für ca. 30 Minuten im Exsikkator abgekühlt und anschließend auf drei Stellen
hinter dem Komma genau gewogen. Die Differenz zum Vortag ist der Ligninanteil. Der
prozentuale Ligninanteil im Holz lässt sich berechnen, indem man die Differenz prozentual
zur eingewogenen Menge berechnet. Die verwendeten Formeln zur Berechnung der
prozentualen Ligninmenge in den untersuchten Proben sind im Anhang unter Kapitel 8.1.2
aufgeführt.
Material & Methoden 59
3.1.2 Morphologische Untersuchungen des Faserstoffes
3.1.2.1 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Faserstoff
Um die Qualität eines Faserstoffes festzustellen sind neben den analytische Untersuchungen,
wie in Kapitel 3.1.1.1 bis 3.1.1.4 beschrieben, auch morphologische Untersuchungen des
Fasermaterials notwendig. Die morphologischen Untersuchungen des Faserstoffes werden im
Rahmen dieser Dissertation mit einem Rasterelektronenmikroskop, Typ EM 515, der Fa.
PHILIPS durchgeführt. Wichtig bei der Vorbereitung der Proben ist, dass diese ein bestimmtes
Format nicht überschreiten, da sie sonst nicht auf den Probenteller aufgeklebt werden können
bzw. zu dick sind. Sie sollten daher möglichst dünn, d.h. ≤ 1 - 4 mm stark, geschnitten
werden.
Die Proben werden unter einer Lupe betrachtet und dabei so platziert, dass sie anschließend
direkt aufgeklebt werden können. Der Klebstoff, das so genannte Leit-C, wird mit einem
Spatel dünn auf den Probenteller unter der Lupe aufgetragen. Dabei ist zu beachten, dass der
Klebstoff möglichst dünn aufgetragen wird, damit später im Rasterelektronenmikroskop der
Weg des Elektronenstrahls durch die Probe bis zum Probenteller möglichst gering ist. Die
bereitliegende Probe wird dann anschließend mit einer Pinzette unter leichtem Druck auf den
Klebstoff gelegt. Der dabei verdrängte Klebstoff wird mit Hilfe einer Nadel am Probenrand
aufgetragen. Der Klebstoff leitet den Elektronenstrahl, jedoch sind die Stellen an denen sich
der Klebstoff befindet unter dem REM nicht zu betrachten. Die aufgeklebten Proben müssen
je nach Klebstoffmenge ein bis zwei Stunden antrocknen. Der nächste Schritt ist dann das
Bedampfen der Proben.
Das EMSCOPE SC 500 ist das Hauptgerät für die Goldbedampfung. Zusätzlich gibt es noch ein
Nebengerät, das EMSCOPE SB 250 für Kohlebedampfung. Die Proben werden in die
vorgesehenen Öffnungen eingesetzt und der Glasring wird kurz abgeputzt. Anschließend
steckt man den Schlauch auf die Vorrichtung an der Argonflasche und öffnet zuerst das
Hauptventil und danach das Druckventil der Flasche. Der Druck ist dabei unter 1 bar am
Manometer. An der TORR-SKALA kann man beobachten wie sich ein Vakuum bildet. Benötigt
wird ein Vakuum von 0,05 TORR oder höher. Ist der gewünschte Unterdruck erreicht, strömt
Argon in das Gefäß und der Vakuumdruck geht zurück. Für ca. 1 ½ Minuten ist ein
Plasmaring in dem Gefäß zu sehen und die Probe wird mit 40 bis 50 nm Gold beschichtet. Die
Proben können anschließend unter dem Rasterelektronenmikroskop betrachtet werden.
60 Material & Methoden
3.1.3 Analytische Untersuchungen der Bindemittel
3.1.3.1 Charakterisierung des Weizenprotein-Bindemittels der Fa. CERESTAR
Das in dieser Dissertation verwendete naturnahe Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen
auf Proteinbasis, das Weizenprotein (vgl. Abbildung 3-1), wird zur Qualitätsbeurteilung und
zur Einschätzung der Klebeeigenschaften hinsichtlich seiner Hauptbestandteile analysiert.
Diese Untersuchungen finden in der Analytikabteilung der Fa. CERESTAR in Krefeld statt und
werden durch firmeneigenes Laborpersonal durchgeführt, da es sich bei der Analyse der
Hauptbestandteile und spezielle Verfahren handelt, deren Durchführung einerseits eine
besondere Laborausstattung und andererseits speziell für diese Untersuchungen ausgebildetes
Personal voraussetzen. Von Seiten der Fa. CERESTAR war es aufgrund von
Geheimhaltungsvereinbarungen leider nicht möglich, die zur Analyse angewandten Verfahren
zu beschreiben. Aufgrund dieser Sachlage können hier zu diesem Zeitpunkt keine genauen
Verfahren zur Ermittlung der Hauptbestandteile im Weizenprotein erläutert werden. Die
Ergebnisse der Weizenproteinanalyse, die in Kapitel 4.1.3.1.1 aufgeführt sind, wurden von
der Fa. CERESTAR im Rahmen einer gemeinsamen Besprechung im Jahr 2004 mitgeteilt.
Abbildung 3-1: Natives Weizenprotein der Fa. CERESTAR
Analog zur Charakterisierung der Hauptbestandteile des Weizenproteins werden im Labor des
Kompetenznetzes zur Nachhaltigen Holznutzung der Georg-August-Universität Göttingen die
Viskositäten dieses naturnahen Bindemittels aus der laufenden Produktion unter
Berücksichtigung der Feststoffgehalte ermittelt. Die Bestimmung der Viskositäten erfolgt
analog zu den Viskositätsmessungen der verwendeten konventionellen und naturnahen
Bindemittel bzw. der Mischkondensate. Das Verfahren ist in Kapitel 3.1.3.1 ausführlich
Material & Methoden 61
beschrieben. Anhand der Veränderung der Viskositäten lassen sich Rückschlüsse auf
Veränderungen in der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bzw. Veränderungen bei den
Herstellungsparametern ziehen. Das Weizenprotein, das zur Herstellung der Mitteldichten
Faserplatten im Rahmen dieser Arbeit verwendet wird, wie auch die Proben aus der laufenden
Produktion zur Ermittlung der Viskositäten stammen beide aus dem CERESTAR Werk in
Barby. Parallel zu den Feststoffgehalten des Weizenproteins werden auch bei jeder
Neuanlieferung des Materials die pH-Werte dieses natürlichen Bindemittels im Labor des
NHN überprüft.
3.1.3.2 Viskositätsmessungen
Die Viskosität eines Bindemittels ist ein entscheidender Faktor bei der Beleimung von
Fasermaterialien. Mit steigender Viskosität wird eine gleichmäßige und flächige Beleimung
immer unwahrscheinlicher, da sich das Bindemittel schlechter versprühen lässt und der
erzeugte Sprühnebel im Mischer immer mehr von der gewünschten Kegelform (vgl. dazu
auch Kapitel 2.4) abweicht. Dadurch wird das Bindemittel im schlimmsten Fall nur noch
tropfenweise und nicht mehr flächig auf die Fasern aufgetragen, da eine gleichmäßige
Beschickung der Beleimungsdüse mit einem hochviskosen Bindemittel nicht realisierbar ist.
Begründen lässt sich die unregelmäßige Zuführung von hochviskosen Bindemitteln mit der
Tatsache, dass es beim Anrühren dieser Bindemittel häufig zu Lufteinschlüssen im Leim
kommt. Dies führt bei der späteren Verpressung der Fasern dann sowohl zu Leimflecken als
auch zu bindemittelfreien Stellen in der Platte.
Einen besonderen Einfluss auf die Viskosität haben der Kondensationsgrad und die
Stoffkonzentration des Bindemittels. Diese beiden Faktoren wirken sich unmittelbar auf die
Benetzungsfähigkeit, die Verarbeitbarkeit, das Fließverhalten und die Verwendungsdauer
eines Bindemittels aus. Weiterhin wird die Viskosität eines Bindemittels vom Molekülaufbau
und den polaren Gruppierungen sowie der Länge der vorhandenen Seitenketten bestimmt.
Bindemittel werden hinsichtlich ihres Fliesverhaltens als idealviskos, scherverdünnend und
scherverdickend eingeteilt. Ein Bindemittel ist idealviskos, wenn eine Erhöhung der
Scherbelastung keine Auswirkungen auf das Fliesverhalten hat. Nimmt die Steigung der
Fließkurve mit der Erhöhung der Scherbelastung ab, so spricht man von einem
scherverdünnendem Fließverhalten. Steigt die Fließkurve eines Bindemittels mit
zunehmender Scherbelastung, so handelt es sich um ein scherverdickendes Bindemittel.
62 Material & Methoden
Die Viskositätsmessungen des Weizenprotein-, der Harnstoff- und Phenol-Formaldehyd-
Harz-Bindemittel werden mit einem Viskosimeter der Fa. PHYSICA, Ostfildern durchgeführt.
Dabei handelt es sich um ein Schubspannungs-, Rotations- und Kriechrheometer des Typs
Rheolab MC 1 Portable. Das Viskosimeter ist mit zwei unterschiedlichen Meßsystemen
ausgestattet und wird über einen angeschlossenen PC mit Hilfe der Software US 200 bedient.
Die Viskosität beschreibt die Zähigkeit einer Substanz, d.h. die innere Reibung von
Flüssigkeiten. Die Kraft, die für die Überwindung dieser Reibung erforderlich ist, wird als
Schubspannung (τ) bezeichnet. Durch die Krafteinwirkung entsteht zwischen zwei Schichten
der Flüssigkeit ein Geschwindigkeitsgefälle (D). Die Viskosität beschreibt somit das
Verhältnis der Schubspannung zum Geschwindigkeitsgefälle; sie wird nach AYLA (1980)
daher auch als dynamische Viskosität (η) bezeichnet. Die Berechnung der dynamischen
Viskosität ist im Anhang unter Kapitel 8.1.3.1 aufgeführt. Die dynamische Viskosität ist
definiert durch die Kraft in Newton (N) die erforderlich ist, um in einer Flüssigkeitsschicht
von 1 cm² Flächengröße und 1 cm Höhe eine Grenzfläche parallel zur gegenüberliegenden
anderen Grenzfläche mit einer Geschwindigkeit von 1 cm·s-1 zu verschieben. Dabei gilt der
Grundsatz 1 Pa·s = 1 Nsm-2 = 1 kg m-1 s-1 (HABENICHT, 1997).
Vor der Viskositätsbestimmung werden die Bindemittel auf 20 °C ± 2 °C temperiert. Für die
Messung wird ein Messzylinder vom Typ DIN Z3 verwendet. Bei diesem Verfahren befindet
sich die zu messende Substanz im Messspalt zwischen dem feststehenden Messbecher und
dem rotierenden Messkörper. Aus dem Fließwiderstand der zu messenden Substanz, der sich
auf das Drehmoment des Messkörpers auswirkt, wird die Viskosität berechnet.
Jede Viskositätsbestimmung besteht aus 25 Messpunkten. Die Messdauer beträgt 7,2
Sekunden pro Messpunkt, woraus sich eine Gesamtzeit von 180 Sekunden pro Messung
ergibt. Da sich eine Viskositätskurve über die Zeit und die Scherrate definiert, wird die
Scherrate mit zunehmender Steigung im Verlauf der Messung vorgegeben. Die
Viskositätsmessung beginnt mit einer Scherrate von 1 1/s und endet mit einer Scherrate von
999 1/s. Die genauen Versuchsparameter sind in den Kapiteln 3.1.3.2.1 bis 3.1.3.2.5 erläutert.
3.1.3.2.1 Viskositäten des Harnstoff-Formaldehyd-Harz Bindemittels
Das in dieser Dissertation verwendete Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407® flüssig der
Fa. BASF ist mit einer durchschnittlichen Viskosität von 150 – 300 mPa·s, bei einer
Material & Methoden 63
Materialtemperatur von 20 °C, angegeben. Auch bei diesem Bindemittel erhöht sich die
Viskosität mit zunehmender Lagerungszeit (BASF, 2002). Das Bindemittel wird im Rahmen
dieser Promotion alleine und in Kombination mit unterschiedlichen Hydrophobierungsmitteln,
HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL, als Leimflotte zur Herstellung von
Referenzplatten verwendet. Daher ist die Viskosität der unterschiedlichen Leimflotten (siehe
dazu Kapitel 4.1.3.1) ein entscheidender Faktor bei der Beurteilung der mechanisch-
technologischen Eigenschaften der Referenzplatten (vgl. dazu Kapitel 4.2.1).
3.1.3.2.2 Viskositäten des Phenol-Formaldehyd-Harz Bindemittels
Das für die Herstellung von PF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten verwendete
Phenol-Formaldehyd-Harz vom Typ 1808 HW der Fa. BAKELITE ist seitens des Herstellers
mit einer durchschnittlichen Viskosität von 150 – 200 mPa·s, bei einer Materialtemperatur
von 20 °C, angegeben. Das PF-Harz ist bei 20 °C nur ca. 1 Woche, bei 15 °C 2 Wochen
lagerfähig (BAKELITE AG, 2003). Das Phenol-Formaldehyd-Harz Bakelite® PF 1808 HW
wurde für diese Promotion zur Herstellung von Referenzplatten verwendet. Dazu wird das
Harz einerseits separat und andererseits als Leimflotte in Verbindung mit den
Hydrophobierungsmitteln HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL verwendet.
Sowohl bei der Beleimung des Fasermaterials mit purem PF-Harz als auch mit den o. g.
Leimflotten sind die Viskositäten (vgl. dazu auch Kapitel 4.1.3.2.2) ein wichtiges Kriterium
bei der späteren Ermittlung der mechanisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten
Referenzplatten (vgl. dazu auch Kapitel 4.2.2).
3.1.3.2.3 Viskositäten der UF-Harz/Weizenprotein Bindemittel
Bei der Durchführung der Versuchsreihen zur Substitution von Harnstoff-Formaldehyd-Harz
(BASF Kauritec407® flüssig) durch das Weizenproteinbindemittel werden die beiden
Bindemittel in unterschiedlichen Gewichtsanteilen (m / m bezogen auf atro Faser) gemischt
und z. T. noch mit den Hydrophobierungsmitteln HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der
Fa. SASOL in unterschiedlichen Konzentrationen versetzt (siehe dazu auch Kapitel 3.2.4).
Bedingt durch die unterschiedlichen prozentualen Gewichtsanteile der beiden Klebstoffe und
die Verwendung von Hydrophobierungsmitteln ergeben sich auch unterschiedliche
Viskositäten der Bindemittelflotten. Bei der Substitution von UF-Harz durch Weizenproteine
64 Material & Methoden
sind nicht nur die mechanisch-technologischen Eigenschaften der hergestellten Mitteldichten
Faserplatten (vgl. auch Kapitel 4.2.3) sondern auch die Viskositäten der verwendeten
Leimflotten (vgl. dazu auch Kapitel 4.1.3.2.3) von Bedeutung.
3.1.3.2.4 Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Bindemittel
Analog zur Substitution von Harnstoff-Formaldehyd-Harz durch Weizenproteine (vgl. Kapitel
3.1.3.2.3 und Kapitel 3.2.4) werden Phenol-Formaldehydharz gebundene Mitteldichte
Faserplatten hergestellt (vgl. Kapitel 3.2.5), bei denen die Menge an PF-Harz (Typ 1808 HW
der Fa. BAKELITE) durch eine Weizenprotein-Suspension in unterschiedlichen
Gewichtsanteilen (m/m bezogen auf atro Fasergewicht) substituiert wird. Diese
Bindemittelformulierungen mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen werden sowohl ohne
Hydrophobierungsmittel als auch mit den beiden unterschiedlichen Paraffine HYDROWAX 138
und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL in industriell üblichen Dosierungen zur Herstellung von
MDF-Platten verwendet. Zur Beurteilung der mechanisch-technologischen Eigenschaften der
PF-Harz substituierten Mitteldichten Faserplatten (Kapitel 4.2.4) und für den Vergleich zum
reinen Phenol-Formaldehyd-Harz (Kapitel 4.1.3.2.2) werden die Viskositäten der
unterschiedlichen Bindemittelformulierungen herangezogen.
3.1.3.2.5 Viskositäten des Weizenprotein Bindemittels
Das Weizenprotein der Fa. CERESTAR, das zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten im
Rahmen dieser Dissertation verwendet wird, unterliegt bei seiner Produktion geringen
Schwankungen, die sich z.B. im Feststoffgehalt des Bindemittels niederschlagen. Diese
Schwankungen lassen sich mit der Tatsache begründen, dass das Weizenprotein ein
Nebenprodukt der Stärkeherstellung ist, und die Ausgangsstoffe zur Stärkegewinnung nicht
immer die gleichen Eigenschaften bzw. Mischungsverhältnisse aufweisen. Daher gibt es auch
leichte Schwankungen bei dem daraus resultierenden Nebenprodukt, dem Weizenprotein. Aus
diesem Grund wurden mehrere Proben aus der laufenden Produktion der Fa. CERESTAR über
einen längeren Zeitraum kontinuierlich auf ihre Viskositäten und Feststoffgehalte hin
untersucht.
Material & Methoden 65
Des Weiteren wurde das Weizenprotein sowohl separat als auch in Kombination mit den
Hydrophobierungsmitteln HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL als
Leimflotte zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten verwendet. Durch die Variation der
unterschiedlichen Bestandteile in den Leimflotten ändern sich auch die Viskositäten der im
Rahmen dieser Promotion verwendeten Leimflotten. Auch bei der Beurteilung der
mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit Weizenprotein hergestellten Mitteldichten
Faserplatten (vgl. dazu auch Kapitel 4.2.5) ist die Viskosität der verwendeten Leimflotten
(siehe dazu auch Kapitel 4.1.3.2.5) ein wichtiges Kriterium.
3.1.3.3 Ermittlung der Stickstoffgehalte
Die im Rahmen dieser Dissertation verwendeten konventionellen und naturnahen Bindemittel
werden analytisch hinsichtlich ihres Stickstoffgehaltes mit Hilfe der KJELDAHL-Methode nach
DIN EN 25663 untersucht. Dabei ist im Falle der Weizenprotein-Suspension eine Berechnung
des Gesamtproteingehaltes mit Hilfe des Stickstoffgehaltes möglich. Von besonderer
Bedeutung sind die Stickstoffgehalte für die in Kapitel 3.4.1 und Kapitel 3.4.2 beschriebenen
Holzabbauversuche, da Stickstoff grundsätzlich eine wichtige Nährstoffquelle für Weißfäule-,
Braunfäule- und Schimmelerreger (vgl. dazu Kapitel 2.6 und Kapitel 4.3 ff.) darstellt. Es wird
seitens der konventionellen Bindemittel nur das Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407®
flüssig der Fa. BASF auf seinen Stickstoffgehalt hin untersucht, da mit den in dieser Arbeit
hergestellten Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten kein
Holzabbauversuch durchgeführt wird. Die genaue Versuchsbeschreibung zur Durchführung
der KJELDAHL-Methode ist in Kapitel 3.1.3.3.1 dargelegt.
3.1.3.3.1 KJELDAHL-Methode (DIN EN 25663)
Auf der Suche nach einer Möglichkeit zur Bestimmung des Stickstoffgehaltes in Gerste und
Hefe entwickelte Johan KJELDAHL (1849-1900) im Jahre 1883 ein geeignetes Verfahren. Die
Stickstoffbestimmung nach KJELDAHL ist seit mehr als 120 Jahren ein akzeptierter Standard.
Sie wird heute sowohl in der Lebensmittelchemie zur Proteinbestimmung von Bier, Getreide,
Milch- und Fleischwaren als auch in der Umweltanalytik und Agroindustrie zur Bestimmung
von Nitraten und Ammonium eingesetzt (www.kmf-laborchemie.de/pdf/Kjeldahl_de1.pdf,
14.12.2005).
66 Material & Methoden
Diese Methode unterteilt sich grob in drei Arbeitsschritte. Dabei werden die zu bestimmenden
Proben zunächst mit Schwefelsäure in einem Kochprozess aufgeschlossen. Die in den Proben
enthaltenen Stickstoffverbindungen wie z.B. Proteine, Amine und andere organische
Verbindungen werden auf diese Weise in Ammoniumverbindungen überführt. Der Aufschluss
wird anschließend mit Lauge und bidest. Wasser destilliert, so dass Ammoniak durch die
Lauge freigesetzt und aufgrund der Destillation ausgetrieben werden kann. Das Destillat wird
dann in einem letzten Arbeitsschritt auf einen bestimmten pH-Wert zurück titriert. Die
chemische Reaktion bei diesem Verfahren ist in Tabelle 3-2 beispielhaft an einer
Stickstoffhaltigen Probe erläutert. Um den Weg des Stickstoffs bei den Reaktionen einfacher
verfolgen zu können, ist dieser blau markiert. Die einzelnen Arbeitsschritte werden in der
darauf folgenden Versuchsbeschreibung ausführlich erläutert.
Tabelle 3-2: Arbeitsschritte und chemische Reaktionen bei der KJELDAHL-Methode (www.kmf-laborchemie.de/pdf/Kjeldahl_de1.pdf, 14.12.2005)
Arbeitsschritt Chemische Reaktion
Aufschluss CHNO + H2SO4 CO2 + SO2 +H2O + (NH4)2SO4
[Probe] [Katalysator]
Neutralisation H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2 H2O
(NH4)2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2 NH3 + 2 H2O
Wasserdampfdestillation
Borsäure-Titration H[B(OH)4] + NH3 NH4[B(OH)4]
2 NH4[B(OH)4] + H2SO4 (NH4)2SO4 + 2 H[B(OH)4]
Aufschluss
Der Aufschluss der beiden im Rahmen dieser Dissertation untersuchten Bindemittel, dem
Weizenprotein der Fa. CERESTAR und das Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407® flüssig
der Fa. BASF, erfolgte unter Verwendung von Schwefelsäure (98 %) und Kjeltabs vom Typ
CT. Ein Kjeltab ist zusammengesetzt aus 5 g K2SO4, 0,15 g CuSO4 x 5 H2O und 0,15 g TO2.
Die Tabs wirken als Katalysatoren beim Aufschlussprozess, da sie den Siedepunkt der
Schwefelsäure auf 400 °C herabsetzen. Der Aufschluss ist der einzige Arbeitsschritt bei der
KJELDAHL-Methode, der aufgrund der eingesetzten Chemikalien unter einem Abzug
stattfinden muss. Dafür werden zuerst die auf ihren Stickstoff- und/oder Proteingehalt zu
untersuchenden Bindemittel in die für den Aufschluss vorgesehenen 400 ml fassenden Gefäße
eingewogen. Anschließend gibt man pro Kolben zuerst 2 Kjeltabs und danach 25 ml
Schwefelsäure (98 %) hinzu. Die Gefäße werden darauf hin in den KJELDAHLTHERM KB/KBL
Material & Methoden 67
der Fa. GERHARDT gestellt, mit den dazugehörigen Deckeln bedeckt und der integrierte
Heizblock wird auf 400 °C erhitzt. Der beim Kochprozess entstehende schwefelsäurehaltige
Dampf wird mit Hilfe eines angeschlossenen Absaugsystems, dem TURBOSOG TUR/TVK, in
Natriumhydroxid (20 %) zweifach gewaschen. Wichtig dabei ist, dass man den Dampfabzug
nicht zu stark einstellt, da ansonsten zuviel Schwefelsäure aus dem Aufschluss in Form von
Dampf entzogen wird und so ein vollständiger Probenaufschluss nicht mehr gewährleistet ist.
Der Großteil des schwefelsäurehaltigen Dampfes soll während des Kochprozesses an den
Innenwänden des Gefäßes zurückfließen um auf dem Boden des Gefäßes wieder erhitzt zu
werden.
Während des Kochprozesses nimmt die Probe eine grüne Farbe an; dieser Zeitpunkt dient als
Messpunkt für die weitere Kochdauer. Nach dem Farbumschlag lässt man die Probe noch
weitere 90 Minuten kochen, damit alle Bestandteile aufgeschlossen werden. Danach ist der
Aufschluss beendet und der Heizblock des KJELDAHLTHERM wird ausgeschaltet. Die Proben
müssen nun auf Zimmertemperatur abkühlen wobei die Gefäße immer noch geschlossen
bleiben, damit eventuell noch entweichender schwefelsäurehaltiger Dampf über den
TURBOSOG abgesaugt wird.
Destillation
Die aufgeschlossenen und abgekühlten Proben werden mit Hilfe der Destillationsapparatur
VAPODEST 30 der Fa. GERHARDT anhand eines zuvor festgelegten Programms automatisch
destilliert. Das Programm ist so eingestellt, dass vor der Destillation die Proben zunächst neun
Sekunden lang mit bidestilliertem Wasser und anschließend vier Sekunden lang mit
Natronlauge (32 %) vermengt werden, um den in den Proben enthaltenen Ammoniak
freizusetzen. Danach beginnt der Destillationsprozess um den zuvor freigesetzten Ammoniak
zu überführen. Die Destillation dauert exakt 4 Minuten, wobei der Dampfdruck im System
konstant 100 % beträgt. Das Destillat wird in einem 250 ml fassenden Becherglas, in das vor
der Destillation 50 ml Borsäure (4 %) gefüllt werden, aufgefangen. Die Borsäure ist mit einer
TASHIRO-Indikator-Lösung versetzt, damit eventuell auftretende Verunreinigungen durch
zurücklaufende Lauge bei der Destillation visuell feststellbar sind.
Titration
Nach der Destillation werden die Proben mit Hilfe der Titrationsapparatur TITROLINE EASY
der Fa. SCHOTT automatisch anhand ihres pH-Wertes mit 0,05 M Schwefelsäure zurück
68 Material & Methoden
titriert. Der zu titrirende Ziel-pH-Wert beträgt bei der Stickstoffbestimmung nach KJELDAHL
exakt 5,2. Die benötigte Menge an 0,05 M Schwefelsäure wird von der Titrationsapparatur
festgehalten und dient dann anschließend zur Berechnung des Stickstoff- bzw.
Proteingehaltes. Die Formeln zur Berechnung des Stickstoffgehaltes und des
Gesamtproteingehaltes sind im Anhang unter Kapitel 8.1.4.1 aufgeführt. Die Ergebnisse der
Stickstoff- und Proteinbestimmungen in den beiden zu untersuchenden Bindemitteln sind in
Kapitel 4.1.3.3 ff. dargestellt.
3.2 Herstellung von Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab
Die Herstellung von Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab erfolgt analog zu der bereits
in den Kapiteln 2.4 bis 2.4.1.3 beschriebenen Herstellung von MDF-Platten im industriellen
Maßstab. Der Aufbau der Pilot-MDF-Anlage ist an der Konstruktion moderner MDF-
Industrieanlagen angelehnt, um einerseits die spätere Umsetzung vom Pilot- in den
Industriemaßstab zu erleichtern und andererseits um sicherzustellen, das die erprobten
Verfahren auf bestehende MDF-Anlagen im Industriemaßstab übertragen werden können
ohne dadurch kostenintensive Umbauten zu verursachen.
3.2.1 Anlagenteile der Pilot-MDF-Anlage
Die Herstellung aller im Rahmen dieser Promotion angefertigten Mitteldichten Faserplatten
im Pilotmaßstab erfolgte an der Pilot-MDF-Anlage des Kompetenznetzes für Nachhaltige
Holznutzung (NHN) im Technikum der Universität Göttingen. Diese MDF-Anlage ist die
erste Anlage in Deutschland, mit der die vollautomatische Auflockerung, Trocknung und
Beleimung von unterschiedlichen Fasermaterialein sowie die anschließende Streuung eines
gleichmäßigen Faservlieses aus beleimtem Fasermaterial im Pilot-Maßstab realisiert werden
können.
Im folgenden Text sollen die einzelnen Maschinenteile der Pilot-MDF-Anlage erläutert
werden. Dabei werden die Anlagenteile einerseits separat hinsichtlich ihrer mechanischen
Funktion sowie ihrer technischen Daten beschrieben und andererseits das Zusammenwirken
der einzelnen Maschinen im Verfahrensablauf erläutert.
Material & Methoden 69
Die Anlage lässt sich hinsichtlich des Herstellungsablaufes in die vier Hauptbereiche
Beleimung, Trocknung, Vliesbildung und Verpressen/Konditionieren unterteilen (vgl. Kapitel
3.2.1.1 bis 3.2.1.4). Der erste Bereich besteht aus dem Transportband, dem Mischer und der
Pumpe, den zweiten Bereich bilden die Trocknereinheit, der Zyklon und das Speicher- und
Zuführband, für den dritten Bereich werden der Faserbunker, der Streukopf und das
Formband mit der Kaltpresse benötigt und der vierte Bereich bildet sich aus der Heißpresse
und den Maschinen für das spätere Besäumen und Schleifen der Mitteldichten Faserplatten.
Da nahezu alle Motoren der Pilot-MDF-Anlage über einzelne Frequenzumformer (Poti) im
zentralen Schaltschrank angesteuert werden, sind die unterschiedlichen Einstellungen dieser
Frequenzumformer, d.h. die jeweils verwendeten Drehzahlgeschwindigkeiten der einzelnen
Motoren, wichtige Parameter bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten.
3.2.1.1 Beleimung
3.2.1.1.1 Transportband / Muldengurtförderer
Mit Hilfe eines Muldengurtförderers wird das unbeleimte Fasermaterial von der Faseraufgabe
zum Mischer hin transportiert daher ist das Band für einen gleichmäßigen Transport mit
Mitnehmern aus Gummi versehen. Das Transportband ist 6000 mm lang, 400 mm breit, 170
mm tief und hat damit ein Volumen von 0,408 m³. Angetrieben wird das Förderband mit
einem 0,55 kW starken, frequenzgesteuerten Getriebemotor, der durch einen Kettenantrieb
mit der unteren Walze des Muldengurtförderers verbunden ist. Die Geschwindigkeit mit der
das Transportband die unbeleimten Fasern in den Mischer befördert lässt sich über einen Poti
von Schaltschrank aus steuern.
Auf dem Transportband werden die unbeleimten und aufgelockerten Fasern gleichmäßig,
ohne Anpressdruck, per Hand in einer Höhe von ca. 200 mm gestreut. Auf dem
Transportband ist eine gleichmäßige Streuhöhe des unbeleimten Fasermaterials wichtig, um
bei der späteren Beleimung im Mischer einen gleichmäßigen Faserdurchsatz und somit eine
gleichmäßige Beleimung des Fasermaterials zu gewährleisten. Bei einer Streuhöhe von ca.
200 mm, einem Schüttgewicht von 22,8 kg/m³ des Fasermaterials, einer gleichmäßigen
Geschwindigkeit des Transportbandes (Poti 90) und einer konstanten Umdrehung der
Mischerwelle (Poti 4,5) ergibt sich ein Faserdurchsatz von 53 kg/h lutro. Ein gleichmäßiger
Faserdurchsatz ist bei der Herstellung von MDF-Platten eine wichtige Stellgröße, da dieser
70 Material & Methoden
Wert die Grundlage zur Berechnung der Beleimmenge und des Bindemitteldurchsatzes pro
Minute ist (siehe auch Kapitel 8.2.5). Diese Einstellung wurde daher bei allen im Rahmen
dieser Dissertation angefertigten Mitteldichten Faserplatten verwendet um konstante
Beleimungsbedingungen im Mischer, unabhängig von der verwendeten Bindemittelflotte, zu
simulieren.
3.2.1.1.2 Beleimungsmischer
Die Beleimung des Fasermaterials auf der Pilot-MDF-Anlage erfolgt mit Hilfe eines
stationären Mischers. Der Mischer wird über einen frequenzgesteuerten Motor mit
Keilriemenantrieb betrieben. Die Geschwindigkeit lässt sich über den im
Mischerschaltschrank installierten Poti einstellen. Das Gehäuse, wie auch die Umschaltklappe
sind aus ca. 2 mm starkem Blech angefertigt. Die Einfallöffnungen wie auch die beiden
Ausfallöffnungen des Mischers haben eine Größe von ca. 300 x 300 mm. Die gesamte
Konstruktion ist in etwa 800 mm hoch und kann einen maximalen Faserdurchsatz von 8 m³ /
h, d.h. 182,4 kg lutro / h bei dem Schüttgewicht des verwendeten Materials, realisieren.
Bei der Struktur des in dieser Promotion verwendeten Fasermaterials der Fa. STEICO wurde
der Poti des Mischers auf 4,5 eingestellt, um bei allen durchgeführten Versuchen einen
konstanten Faserdurchsatz von 53 kg lutro in der Stunde zu gewährleisten.
Der Mischer besteht aus einem zu öffnenden Gehäuse aus doppelwandigem Stahl und einer
im Gehäuse gelagerten Stachelwalze. Die Stachelwalze ist hinsichtlich ihrer Konstruktion nur
für Fasermaterial ausgelegt. Durch den doppelten Stahlmantel ist eine Kühlung des
Mischergehäuses bei Langzeitbetrieb möglich um eine Überhitzung und Leimablagerungen in
Inneren des Mischers zu vermeiden. Die im Gehäuse befindliche Stachelwalze besitzt drei
Zonen, die sich durch unterschiedliche Stachelgeometrien und Stachelanordnungen
kennzeichnen. Dies sind eine Einzugszone (Pflugscharen), eine Beleimungszone (große,
konisch zulaufende Stacheln) und eine Auflockerungszone (kleine, konisch zulaufende
Stacheln).
Das unbeleimte Fasermaterial gelangt vom Transportband über einen Einfallschacht in den
Mischer und wird mit Hilfe der auf der Stachelwalze befindlichen Pflugscharen im Mischer
weiter transportiert. Anschließend werden die Fasern in der Beleimungszone mit Hilfe einer
Zweistoffdüse mit Bindemittel besprüht. Dazu ist über der Beleimungszone ein Loch im
Material & Methoden 71
Mischerdeckel, in dem die Beleimungsapparatur im Mischerdeckel arretiert ist. Durch die
Verwendung von großen, konisch zulaufenden Stacheln in diesem Bereich der Walze wird
das Fasermaterial auseinander gezogen und bildet auf diese Weise eine möglichst große
Oberfläche für die Beleimung. Nach der Beleimung wird das Fasermaterial nochmals
aufgelockert und vermischt. Durch die Verwendung von kleinen, konisch zulaufenden
Stacheln wird im Mischer eine möglichst gleichmäßige Durchmischung des beleimten
Materials gewährleistet.
Am Ende der Stachelwalze befindet sich ein Trichter, durch den das beleimte und
aufgelockerte Fasermaterial aus dem Mischer befördert wird. Unter dem Mischer ist ein
Gehäuse mit einer Stellklappe angebracht, um das aus dem Beleimungsmischer kommende
Fasermaterial mit Hilfe einer manuell zu betätigenden und schwenkbar gelagerten
Umschaltklappe entweder auf das Zuführband zum Faserbunker oder über eine
Ausfallschleuse in die Rohrtrocknerleitung weiterzuleiten.
3.2.1.1.3 Leimpumpe
Die Beschickung der im Mischer zur Beleimung des Fasermaterials arretierten Zweistoffdüse
mit unterschiedlichen Bindemitteln erfolgte ausnahmslos mit Hilfe einer NEMO®-
Verdrängerpumpe der Fa. NETZSCH. Auf der Pumpe ist ein Trichter mit ca. 10 l Volumen
angebracht, in dem sich die unterschiedlichen Bindemittel bzw. Leimflotten für die
Faserbeleimung befinden. Diese Verdrängerpumpe bzw. der in der Pumpe installierte Rotor
wird über einen frequenzgesteuerten Elektromotor mit 50 Hz betrieben. Die Fördermenge,
d.h. die Geschwindigkeit mit der sich der Rotor bewegt, kann auf diese Weise über den im
Steuerschrank befindlichen Poti geregelt werden.
Die Verdrängerpumpe arbeit nach dem Rotor-Stator-Prinzip (vgl. Abbildung 3-2), d.h. sie
besteht aus einem feststehendem Teil, dem Stator, und einem sich darin beweglichem Teil,
dem Rotor. Der Rotor ist eine Gewindeschraube mit extrem großer Steigung, großer
Gangtiefe und kleinem Kerndurchmesser. Den Rotor gibt es zwei unterschiedlichen
Ausführungen: mit einem runden Querschnitt (1/2-gängig) oder einem elliptischen
Querschnitt (2/3-gängig). Der Stator besitzt zwei oder drei Gewindegänge und die doppelte
bzw. 1,5-fache Steigungslänge des Rotors. Aufgrund dieser Konstruktion ergeben sich
72 Material & Methoden
zwischen dem Stator und dem Rotor Förderräume, durch die das Fördergut von der Eintritts-
zur Austrittsseite transportiert wird wenn der Rotor im Stator umläuft (Fa. NETZSCH, 1998).
Abbildung 3-2: Rotor-Stator-Prinzip bei der Verdrängerpumpe (Fa. NETZSCH, 1998)
Da die Viskositäten und Temperaturen der verwendeten Bindemittel bzw. Leimflotten einen
erheblichen Einfluss auf die Fördermenge der Pumpe haben, muss die Pumpe vor jeder
Beleimung erneut ausgelitert werden. Dazu wird zuerst die benötigte Bindemittelmenge
errechnet (siehe dazu auch Kapitel 8.2.5). Das Bindemittel bzw. die fertig angerührte und
vermischte Leimflotte wird in den Trichter der NEMO®-Verdrängerpumpe gefüllt und die
Pumpe anschließend angestellt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Poti der Pumpe am
Schaltschrank zu Beginn auf „0“ eingestellt ist. Danach wird ein Behälter mit ca. 2000 ml
Fassungsvermögen auf einer Tischwaage tariert und die Zweistoffdüse am Förderschlauch mit
Hilfe von Gewindemuttern befestigt. Die Druckluftleitung für den Bindemitteltransport in der
Zweistoffdüse wird eingeschaltet und der Poti der Pumpe am Schaltschrank auf „1“ hoch
gedreht. Mit einer Stoppuhr wird für exakt eine Minute das Bindemittel in dem zuvor tarierten
Behälter aufgefangen. Nach Ablauf der Minute wird der Behälter auf der Tischwaage
gewogen und so die Fördermenge der Pumpe in g pro Minute ermittelt. Der Behälter wird
anschließend inklusive des aufgefangenen Bindemittels auf der Tischwaage tariert und kann
für die nächste Messung verwendet werden. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die
notwendige Fördermenge mit Hilfe des Frequenzumrichters an der Pumpe eingestellt ist.
3.2.1.2 Trocknung
3.2.1.2.1 Trocknereinheit
Die Trocknung des beleimten Fasermaterials erfolgt in einer 50 m langen, mit einem
Gasbrenner beheizten Rohrtrocknerleitung mit einem Durchmesser von 150 mm. Nach
Angaben der Fa. BINOS können in der Rohrtrocknerleitung ca. 100 kg Fasermaterial mit einer
Feuchte von 100 % in einer Stunde auf eine Endfeuchte von 10 % heruntergetrocknet werden.
Material & Methoden 73
Daraus ergibt sich eine Verdampfung von maximal 90 kg Wasser in der Stunde. Die
Temperaturen für diese Trocknung betragen beim Materialeintritt in die Leitung 175 °C und
am Zyklon 65 °C. Die Trocknereingangs- und Trocknerausgangstemperaturen lassen sich
über das im Steuerschrank befindliche Display je nach vorhandener beleimter Faserfeuchte
unterschiedlich voneinander einstellen. Auf Grundlage der berechneten theoretischen Feuchte
des beleimten und ungetrockneten Fasermaterials (siehe dazu auch Kapitel 8.2.6) werden die
Temperaturen für den Trocknereingang und Trocknerausgang gewählt. Nach der Trocknung
sollte das beleimte Fasermaterial eine Pressfeuchte von ca. 9 % bis 14 % lutro, je nach
späterer Plattendicke, aufweisen um eine optimale Verpressung unter Druck und Hitze zu
gewährleisten.
Hinter der aus einem hitzebeständigem Werkstoff hergestellten Brennerkammer ist eine
Ausfallschleuse installiert, durch die das beleimte Fasermaterial aus dem Mischer in die
Rohrtrocknerleitung gelangt. Die Leitung ist aus 1 mm starkem Blech gefertigt und von außen
vollständig mit feuerfester Holzwolle isoliert. Für den Transport des Fasermaterials in der
Rohrtrocknerleitung ist ein 15 kW Ventilator eingebaut, der die Fasern über ca. 2/3 der
Trocknungsstrecke ansaugt, anschließend durch den Ventilator befördert und dann über das
letzte Drittel der Strecke zum Zyklon hin transportiert. Hinter dem Brenner und kurz vor dem
Zyklon sind Temperaturfühler in der Rohrleitung angebracht, mit denen die
Trocknereingangs- und Trocknerausgangstemperaturen gemessen und kontrolliert werden.
Aus Sicherheitsgründen sind am Trocknereingang und Trocknerausgang Magnetventile vom
Typ DIN 20 zur Feuerlöschung angebracht. Die Magnetventile werden über den Temperatur-
Max-Kontakt am Trocknerausgang angesteuert.
Der Zyklon besteht aus 3 mm starkem Blech und ist an einem Profilstahlgerüst unter der
Decke des Technikums befestigt. Das beleimte und getrocknete Fasermaterial wird vom
Ventilator der Rohrtrocknerleitung aus in den Zyklon befördert und anschließend mit Hilfe
einer unter dem Zyklon angebrachten Zellenradschleuse aus dem Zyklon auf das Speicher-
und Zuführband überführt. Der bei der Trocknung entstandene Wasserdampf entweicht durch
die im Zyklon befindliche Esse. Das Luftsystem der Rohrtrocknerleitung und des Zyklons
muss dabei permanent geschlossen bleiben. Die an der Zellenradschleuse angebrachten
Gummilippen dichten den Zyklon bei der Austragung des Fasermaterials ab und verhindern
auf diese Weise eine Luftdurchwirbelung im Inneren des Zyklons. Dies hätte eine
Aufwirbelung des Fasermaterials zur Folge und würde einen ungleichmäßigen Faseraustrag
und evtl. ein Verstopfen des Zyklons bewirken.
74 Material & Methoden
3.2.1.2.2 Speicher- und Zuführband
Das Speicher- und Zuführband der Pilot-MDF-Anlage ist 800 mm breit, läuft auf einer
selbsttragenden Konstruktion und wird mittels einer Antriebstrommel, einer Spannrolle und
sechs unterstützenden Trommeln betrieben. Das Speicherband hat ein tatsächliches
Nutzvolumen von 3 m³. Die konische Antriebstrommel hat einen Durchmesser von 190 mm
und ist gummiert, die Spannrolle ist konisch und besitzt ebenfalls einen Durchmesser von 190
mm. Die sechs unterstützenden Trommeln, die das Band zwischen der Antriebs- und
Spantrommel stabilisieren, haben jeweils einen Durchmesser von 63 mm. Der Achsabstand
zwischen der Antriebstrommel und der Spanntrommel beträgt 11000 mm. Der Bandantrieb
wird über einen frequenzgesteuerten Elektromotor mit 3 kW vom Schaltschrank der Pilot-
MDF-Anlage aus bedient.
Dieses Förderband übernimmt bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten zwei
Funktionen. Zum einen dient es als Transportband, daher die Bezeichnung Zuführband, zum
anderen kann es als Lagerstelle für Fasermaterial, daher die Bezeichnung Speicherband,
genutzt werden.
Das Zuführband dient zum Transport des Fasermaterials vom Zyklon zum Faserbunker hin.
Um eine gleichmäßige Beschickung des Faserbunkers zu garantieren ist das Band mit
Mitnehmern ausgestattet. Um eine erhöhte Staubentwicklung im Bereich des Faseraustrages
unter dem Zyklon zu vermeiden, ist auf den 2 mm starken Blechwänden des Speicher- und
Zuführbandes in diesem Bereich eine Plexiglasabdeckung angebracht.
Ist eine Inkubationszeit des beleimten Fasermaterials mit Bindemitteln unter Zuführung von
Sauerstoff, wie z.B. bei der Verwendung von Laccase, notwendig, so kann das beleimte
Fasermaterial auf diesem Förderband inkubiert werden (SCHÖPPER, 2002).
3.2.1.3 Vliesbildung
3.2.1.3.1 Faserbunker
Der Faserbunker besteht aus einem Profilstahlrahmen mit Blechwänden sowie einer
Abdichtung zum Dosierband. Er hat mit den Maßen (Länge/Breite/Höhe) 3500 mm x 800 mm
x 1100 mm und der um 45° abgeschrägten Austragsfront ein Volumen von ca. 3 m³. Unter
dem Einfallschacht, durch den das Fasermaterial über das Speicher- und Zuführband in den
Material & Methoden 75
Faserbunker gelangt, ist ein Austrags- bzw. Rückstreifrechen montiert. Der Rückstreifrechen
wird über einen Getriebemotor mit 2,2 kW und Rollenketten betrieben. Das in den Bunker
einfallende Fasermaterial wird durch den Austragsrechen, bestehend aus fünf Walzen von je
600 mm Durchmesser, gleichmäßig im hinteren Teil des Bunkers verteilt.
Das regelmäßige Befüllen des Faserbunkers mit beleimtem Fasermaterial ist für die spätere
Qualität des gestreuten Faservlieses, insbesondere der konstanten Rohdichte, von
entscheidender Relevanz. Das im Bunker installierte Dosierband befördert das Fasermaterial
zur Austragsfront des Bunkers, wobei die Fasermenge über die Dosierbandgeschwindigkeit
am Steuerschrank zu regeln ist. Das frequenzgesteuerte Dosierband arbeitet mit 0,75 kW. Im
vorderen um 45° abgeschrägten Bereich des Faserbunkers befinden sich vier Austragswalzen,
jeweils mit 0,75 kW angetrieben, mit denen das Fasermaterial aus dem Bunker in den
Faserstreukopf befördert wird.
3.2.1.3.2 Faserstreukopf
Der Streukopf der Pilot-MDF-Anlage besteht aus einem höhenverstellbaren, schräg
angeordneten Walzenbrett, in einer Rahmenkonstruktion mit Seitenwänden aus Blech. Sechs
Stachelwalzen, jeweils mit einem Durchmesser von 230 mm, und ein Rückstreifrechen mit
einem Durchmesser von 600 mm bilden das Walzenbrett. Die Walzen werden über
frequenzgesteuerte Aufsteckgetriebemotoren, deren Geschwindigkeiten sich separat am
Steuerschrank über die einzelnen Poti einstellen lassen, betrieben. Die sechs Stachelwalzen
und der Rückstreifrechen sind mit 0,75 kW angegeben.
Da sich die Stachelwalzen immer abwechselnd im bzw. gegen den Uhrzeigersinn drehen,
werden gleichzeitig Fasern gestreut und zu hoch gestreute Fasern zur nächsten wieder
streuenden Walze transportiert. Man spricht daher auch von ziehenden und streuenden
Walzen. Auf diese Weise wird durch den Faserstreukopf ein Faservlies mit einer Breite von
800 mm auf dem Formband gestreut. Dabei sorgt der manuell durch Gewindespindeln
höhenverstellbare Rückstreifrechen für eine gleichmäßige Streuhöhe des Vlieses und somit
für eine konstante Rohdichte in den späteren Platten. Die benötigte Streuhöhe richtet sich
ausschließlich nach der späteren Zielrohdichte der hergestellten Mitteldichten Faserplatten.
76 Material & Methoden
3.2.1.3.3 Formband
Das Formband wird über einen 800 mm hohen Tisch, bestehend aus zwei Spanplatten sowie
zwei Stahlplatten im Bereich der Kaltpresse, mit Hilfe einer Antriebsrolle und einer
Spannrolle gezogen. Die konisch konstruierte Antriebsrolle hat einen Durchmesser von 300
mm und ist gummiert. Sie wird durch einen 4,0 kW starken, frequenzgesteuerten
Aufsteckgetriebemotor angetrieben. Die konische Spannrolle besitzt ebenfalls einen
Durchmesser von 300 mm, ist jedoch nicht gummiert. Der Abstand zwischen der
Antriebsrolle und der Spanrolle beträgt 12000 mm daher ergibt sich für das Formband eine
Gesamtlänge von 24000 mm.
Durch den Streukopf wird auf dem 900 mm breiten Formband ein Faservlies von ca. 800 mm
Breite gestreut. Das Formband ist außen mit 20 mm starken, beschichteten Spanplatten
begrenzt, um ein Abbrechen bzw. Ankleben des Faservlieses an den Wänden des Formbandes
zu vermeiden. Die Höhe des gestreuten Vlieses ist abhängig von der eingestellten
Geschwindigkeit des Formbandes, der Höhe des Rückstreifrechens und der Geschwindigkeit
des Dosierbandes im Faserbunker.
Wenn das Faservlies vollständig gestreut ist, wird es mit der Kaltpresse auf ca. ¼ der
ursprünglichen Streuhöhe vorverdichtet. Die Kaltpresse ist durch ein Stahlgestell über dem
Formband angebracht und erzeugt einen maximalen Druck von 1,5 N/cm². Das Untergestell
des Formbandes ist in diesem Bereich mit zwei Stahlplatten verstärkt um Beschädigungen an
der Unterkonstruktion beim Kaltpressen zu vermeiden. Die maximal zu pressende Fläche
unter dem Hydraulikstempel beträgt 2200 mm x 800 mm, d.h. 1,76 m². Gesteuert wird die
hydraulisch arbeitende Presse über einen Getriebemotor. Aus dem vorverdichteten Faservlies
werden anschließend mit einer Luftdruckpistole Platten im Format (Breite/Länge) 400 mm x
800 mm geschnitten. Bei einer Gesamtlänge von 2200 mm und einer Schnittfugenbreite von
ca. 10 mm lassen sich aus einem vorgepressten Faservlies fünf Platten herstellen.
3.2.1.4 Verpressen/Konditionieren
3.2.1.4.1 Heißpresse
Zum Verpressen der Mitteldichten Faserplatten unter Hitze und Druck wurde im Rahmen
dieser Dissertation eine hydraulische Einetagen-Unterkolbenpresse der Fa. SIEMPELKAMP
verwendet. Die Presse besteht aus einem Pressengestell und einem geschlossenen
Material & Methoden 77
Stahlrahmen, sie hat eine maximale Pressfläche von 600 mm x 800 mm und wird über ein
Ölpumpen- und Steueraggregat gefahren. An die Presse angeschlossen ist ein Schaltschrank
für die notwendige Elektrik. Die Einetagenpresse ist ca. 1955 mm hoch, 980 mm breit, 965
mm tief und wiegt ungefähr 4 Tonnen. Der Kolben hat einen Durchmesser von 300 mm und
leistet einen maximalen Druck von ca. 280 bar bei einer Gesamtpresskraft von 200 kN. Aus
diesen Angaben ergibt sich ein spezifischer Druck von max. 417 N/cm² auf der 600 mm x 800
mm großen Pressfläche.
Das Steuerungsaggregat ist konstruiert aus einem Ölbehälter und zwei auf- bzw. eingebauten
Motorpumpen- und Ventileinheiten. Das ölhydraulische Steueraggregat ist für eine
automatische Arbeitsweise konzipiert und wird von Schaltschrank aus bedient. Die
hydraulischen Schaltventile werden elektromagnetisch direkt angesteuert. Das Steueraggregat
ist 1000 mm lang, 700 mm breit, 1100 mm hoch und wiegt 365 kg. Die Hydraulik arbeitet mit
einer Motorspannung von 220/380 V und mit einer Ventilspannung von 24 V bei einer
Frequenz von 50 Hz.
Der elektrische Schaltschrank ist ein Teil des elektro-hydraulischen Steuerschrankes. Er ist
oberhalb der Hydraulik in abgeschotteter Ausführung angeordnet. In der linken Fronttür sind
alle zur Bedienung der Einetagenpresse notwendigen Schalter, Taster und Anzeigeelemente
installiert.
Der Schaltschrank ist ausgelegt für eine Betriebsspannung von 380 V (± 5 %) bei einer
Frequenz von 50 Hz. Die Steuerspannung beträgt 220 V (± 10 %) bei 50 Hz und die
Ventilspannung läuft mit 24 V Gleichstrom.
Alle Zylinder und Kolben sind mit Spezialdichtungen, Schmierabstreifern und
Führungsbuchsen ausgestattet. Die Pressflächen im Ober- und Untertisch können elektrisch
bis auf maximal 300 °C erhitzt werden. Der benötigte Pressdruck lässt sich mit Reglern exakt
einstellen, die Presszeit wird mit Hilfe einer analogen Uhr auf Minuten und Sekunden
eingestellt und läuft nachdem die Presse geschlossen ist zurück. Nach Ablauf der
vorgegebenen Presszeit öffnet die Presse automatisch. Damit die beim Pressvorgang
auftretenden Dämpfe sofort abgesaugt werden ist über der Presse eine Abzugshaube
installiert.
Die mit Luftdruck geschnittenen Faserplatten (vgl. Kapitel 3.2.1.3.3) werden auf mit
Presspapier belegte Aluminiumbleche gelegt. Auf die Oberseite der Faserplatte werden
78 Material & Methoden
ebenfalls ein Presspapier und ein Aluminiumblech gelegt. Das Presspapier ist mit einer
Wachsschicht überzogen und verhindert ein Verkleben der Faserplatten auf den
Aluminiumblechen. Die ist besonders bei der Verwendung von polymerem Diisocyanat
wichtig, da dieses Bindemittel eine Affinität zu Metall besitzt.
In der gewünschten theoretischen Plattenstärke der fertig gepressten Mitteldichten
Faserplatten werden Distanzleisten auf das untere Aluminiumblech gelegt. Die Presse fährt
dann genau auf die Dicke der gewählten Distanzleisten zu und baut anschließend den
benötigten Druck auf.
3.2.1.4.2 Tischformatkreissäge und Langbandschleifmaschine
Nach einer Lagerzeit von mindestes 4 Stunden sind die Platten soweit ausgekühlt, dass sie
besäumt werden können. Dies ist notwendig, da der Pressdruck und die Temperatur in der
Heißpresse an den Rändern wesentlich geringer sind als in der Mitte der Pressfläche. Die
Ränder weisen daher keine signifikanten Werte bzgl. der tatsächlichen mechanisch-
technologischen Eigenschaften auf und werden vor der Prüfung der Platten entfernt. Zum
Besäumen der Mitteldichten Faserplatten wird eine Tischformatkreissäge der Fa. METABO
vom Typ TK 1685 D verwendet. Mit Hilfe der Kreissäge werden an allen Seiten mindestens 6
cm abgeschnitten.
Die Tischformatkreissäge wird auch für den Zuschnitt der Prüfkörper zur Ermittlung der
mechanisch-technologischen Eigenschaften verwendet. Die genauen Parameter für diese
Zuschnitte sind in den Kapiteln 3.3.2.1 bis 3.3.2.4 aufgeführt.
Nach dem Besäumen der Faserplatten ist der letzte Teil der Konditionierung das Abschleifen
der Presshaut. Diese Presshaut bildet sich auf der Ober- und Unterseite der Faserplatten beim
Pressen in der Heißpresse. Da die Presse langsam zufährt und auch den benötigten Druck
langsam aufbaut, härtet das Bindemittel an der Ober- und Unterseite der Platten bereits am
Anfang des Pressvorgangs ohne Druck aus. Das langsame Schließen der Presse ist wichtig, da
der Wasserdampf zu Beginn des Pressvorgangs langsam und nicht schlagartig aus den Platten
entweichen muss, um Platzer in den Platten zu vermeiden. Das an der Ober- und Unterseite
der Platte verdampfende Wasser und der fast direkte Kontakt zu den Heizbacken der Presse
bewirken, das die Materialtemperaturen an diesen Flächen bis zu ca. 0,5 mm Plattentiefe fast
den tatsächlichen Presstemperaturen der Heizbacken entsprechen.
Material & Methoden 79
Die Faserplatten werden mit einer Langbandschleifmaschine vor dem Zuschnitt der
Prüfkörper für die Ermittlung der mechanisch-technologischen Eigenschaften abgeschliffen.
Dabei werden von jeder Seite ca. 0,5 mm abgeschliffen. Die Presshaut würde, da sie die
Klebefläche zu den Prüfjochen darstellt, ungenaue Werte bei der Prüfung der Faserplatten
verursachen. Würde man ungeschliffene Platten für die Ermittlung der mechanisch-
technologischen Eigenschaften verwenden, könnte der Prüfkörper nicht wie gewünscht in der
Mitte reißen, sondern an einer Stelle an der er mit einer der Prüfjochen verklebt ist.
Um eine erhöhte Staubbelastung durch das Sägen und Schleifen der Mitteldichten
Faserplatten zu vermeiden, sind beide Geräte an einen Entstauber vom Typ SMU 1500-S der
Fa. SPÄNEX, Uslar angeschlossen.
3.2.2 Herstellung von UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Die Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten werden in den theoretischen
Endstärken 4 mm (Variante I), 6 mm (Variante II), 8 mm (Variante III), 10 mm (Variante IV),
12 mm (Variante V), 14 mm (Variante VI), 16 mm (Variante VII) und 18 mm (Variante VIII)
angefertigt. Die Variation in der Plattenstärke ist darin begründet, da diese MDF-Platten
sowohl bei der Beurteilung der mechanisch-technologischen Eigenschaften der Weizenprotein
gebundenen MDF-Platten (vgl. Kapitel 4.2.5) als auch bei den mit Mischkondensaten
angefertigten Mitteldichten Faserplatten (vgl. Kapitel 4.2.3) als Referenzplatten herangezogen
werden. Als Bindemittel wird bei der Herstellung der UF-Harz Referenzplatten ausschließlich
der Leim Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF verwendet. Das Harnstoff-Formaldehyd-Harz
wird sowohl alleine als auch in Kombination mit jeweils einer der Paraffindispersionen
HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL verwendet, um die Einflüsse dieser
unterschiedlichen Hydrophobierungsmittel auf die Quellwerte nach 24 Stunden
Wasserlagerung (DIN EN 317) und die Querzugfestigkeiten (DIN EN 319) der hergestellten
Mitteldichten Faserplatten feststellen zu können.
In Tabelle 3-3 bis Tabelle 3-5 sind die exakten Herstellungsparameter der Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten in den theoretischen Plattenstärken
von 4 mm bis 18 mm (Variante I bis Variante VIII) ausführlich dargestellt. Der Beleimgrad
für diese MDF-Platten beträgt 12 % bezogen auf atro Faser, was den
Herstellungsbedingungen unter industriellen Aspekten entspricht. Die leicht voneinander
80 Material & Methoden
abweichenden Ausgangsfaserfeuchten und die damit variierenden beleimten und getrockneten
Faserfeuchten sind in Tabelle 3-3 bis Tabelle 3-5 angegeben. Nach der Beleimung im
stationären Mischer der Pilot-MDF-Anlage wird das Fasermaterial getrocknet und daraus ein
Vlies mit einer homogenen Rohdichte gestreut. Die daraus geschnittenen Faserplatten in den
Maßen 400 mm x 800 mm werden dann anschließend in der Heißpresse bei 195 °C und einem
Druck von 5,7 N/cm² verpresst. Beim Heißpressen wird der für Harnstoff-Formaldehyd
gebundene MDF-Platten optimale Presszeitfaktor von 18 Sekunden pro mm Plattenstärke auf
der Pilot-Heißpresse der Fa. SIEMPELKAMP verwendet. Versuche mit längeren Presszeiten bei
UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten auf dieser Presse zeigten, dass sowohl die
Querzugfestigkeiten als auch die Quellwerte nach 24 h Wasserlagerung dadurch negativ
beeinflusst wurden (SCHÖPPER, 2002). Als einziger variabler Herstellungsparameter in einer
Variante ergibt sich somit die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln zur Leimflotte. Dies ist
in den Fertigungsparametern (Tabelle 3-3 bis Tabelle 3-5) in blauer Schrift dargestellt. Durch
die Verwendung von keinem bzw. einem der beiden Hydrophobierungsmittel ergeben sich
drei Serien pro Variante. Pro Serie werden 5 Platten hergestellt, daraus resultiert pro Variante
ein Gesamtumfang von 15 Mitteldichten Faserplatten.
Material & Methoden 81
Tabelle 3-3: Parameter zur Anfertigung der UF-Harz gebundenen Referenzplatten (Varianten I bis III)
Herstellungsparameter / Variante I II III
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 4 6 8
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 11,5 12,0 12,0
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 9,0 9,5 9,5
Bindemittel UF-Harz Kauritec 407® flüssig Fa. BASF Feststoffgehalt (%) 66 66 66
Beleimgrad auf atro Fasermaterial (%) 12 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
0
1
0
1
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
0
1
0
1
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 60 60 60
TemperaturAusgang (°C) 40 40 40
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 18 18 18
Gesamtanzahl der Platten 15 Stück 15 Stück 15 Stück
82 Material & Methoden
Tabelle 3-4: Herstellungsparameter für die UF-Harz gebundenen Referenzplatten (Varianten IV bis VI)
Herstellungsparameter / Variante IV V VI
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 10 12 14
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 12,0 12,0 11,0
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 10,5 11,5 11,0
Bindemittel UF-Harz Kauritec 407® flüssig Fa. BASF Feststoffgehalt (%) 66 66 66
Beleimgrad auf atro Fasermaterial (%) 12 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
0
1
0
1
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
0
1
0
1
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 55 55 55
TemperaturAusgang (°C) 40 40 40
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 18 18 18
Gesamtanzahl der Platten 15 Stück 15 Stück 15 Stück
Material & Methoden 83
Tabelle 3-5: Parameter für die UF-Harz gebundenen Referenzplatten (Varianten VII und VIII)
Die Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Herstellung der Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen Referenzplatten Variante I bis VIII (vgl. Tabelle 3-3 bis
Tabelle 3-5) sind in Tabelle 3-6 aufgeführt. Da es sich bei den aufgelisteten Parametern um
grundsätzliche Anlageneinstellungen zur Herstellung von Kunstharz gebundenen MDF-
Platten mit einer Zielrohdichte von 800 kg/m³ handelt, sind in Tabelle 3-6 nicht die im
vorhergehenden Text beschriebenen Varianten I bis VIII sondern die theoretischen
Fertigungsstärken der Mitteldichten Faserplatten angeführt.
Herstellungsparameter / Variante VII VIII
Werkstoffdimensionen Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 16 18
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 11,5 12,0
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 12,0 12,5
Bindemittel UF-Harz Kauritec 407® flüssig Fa. BASF Feststoffgehalt (%) 66 66
Beleimgrad auf atro Fasermaterial (%) 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
0
1
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
0
1
Trocknung TemperaturEingang (°C) 50 50
TemperaturAusgang (°C) 40 40
Vorverdichtung Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2
Heißpressen Pressenschließzeit (Sek.) 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 18 18
Gesamtanzahl der Platten 15 Stück 15 Stück
84 Material & Methoden
Tabelle 3-6: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Herstellung von UF-Harz gebundenen MDF-Platten in den Stärken 4 bis 18 mm und einer Rohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002)
Maschinenteil / Theore-tische Plattenstärke
4 mm
6 mm
8 mm
10 mm
12 mm
14 mm
16 mm
18 mm
Poti Mischer 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5
Zuführband Bunker (Hz) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
Dosierband Bunker (Hz) 150 150 150 150 150 150 150 150
Austragswalzen (Hz) 225 225 225 300 300 300 375 375
Streuwalzen 1, 3, 5 (Hz) 400 400 400 500 500 500 600 600
Streuwalzen 2, 4, 6 (Hz) 200 200 200 250 250 250 300 300
Formband (Hz) 300 250 200 150 125 100 75 50
Muldengurtförderer (Hz) 50 50 50 50 50 50 50 50
Rückstreifrechen (cm) 25 30 35 40 45 50 55 60
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit dem Harnstoff-Formaldehyd-Harz
Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF hergestellten Mitteldichten Faserplatten werden nach den
in Kapitel 3.3.2 beschriebenen DIN EN Normen ermittelt. Es werden die Querzugfestigkeiten
(DIN EN 319), die Dickenquellungen nach 24 Stunden Wasserlagerung (DIN EN 317) sowie
die Rohdichten (DIN EN 323) der hergestellten MDF-Platten analysiert. Da die Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten auch die Referenzplatten für die in Kapitel 3.2.4
beschriebenen mit Mischkondensaten hergestellten 10 mm starken Faserplatten darstellen,
werden zusätzlich zu den oben genannten mechanisch-technologischen Eigenschaften noch
die Formaldehydemissionen (DIN EN 120) der 10 mm starken UF-Harz gebundenen
Mitteldichten Faserplatten geprüft. Durch den Vergleich der Formaldehydemissionen von rein
UF-Harz gebundenen und mit Mischkondensaten hergestellten Mitteldichten Faserplatten,
kann die Eignung des Weizenproteins als Formaldehydfängersubstanz abgeleitet werden.
Diese Ergebnisse sind in Kapitel 4.2.1 graphisch aufgearbeitet und erläutert. Dabei werden
jeweils die Ergebnisse einer Serie pro Variante als Mittelwerte dargestellt.
Material & Methoden 85
3.2.3 Herstellung von PF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Die im Rahmen dieser Arbeit mit Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten
Faserplatten dienen als Referenzplatten zu den mit PF-Harz und Weizenprotein hergestellten
Faserplatten (vgl. Kapitel 3.2.5). Zur Anfertigung dieser Referenzplatten werden sowohl
Leimflotten bestehend aus reinem Phenol-Formaldehyd-Harz vom Typ 1808 HW der Fa.
BAKELITE ohne Zugabestoffe, als auch Leimflotten bestehend aus Phenol-Formaldehyd-Harz
und den beiden Hydrophobierungsmitteln HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa.
SASOL verwendet. Die exakten Herstellungsparameter sowie eine Versuchsmatrix der
einzelnen Serien sind in Tabelle 3-7 dargestellt. Die Herstellungsparameter Zugabestoffe und
Presszeit, durch die sich Unterschiede innerhalb der einzelnen Varianten ergeben und durch
die sich die Varianten I bis III voneinander abgrenzen, sind in blauer Schrift hervorgehoben.
Die Mitteldichten Faserplatten, gebunden mit Mischkondensaten bestehend aus Phenol-
Formaldehyd-Harz und Weizenprotein (vgl. Kapitel 3.2.5), werden in einer theoretischen
Plattenstärke von 10 mm hergestellt, daher werden auch die Referenzplatten nur in dieser
Plattendicke hergestellt. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Presszeitfaktoren beim
Heißpressen soll der Einfluss dieses Herstellungsparameters auf die mechanisch-
technologischen Eigenschaften der Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten
Faserplatten untersucht werden. Pro Variante ergeben sich durch die drei unterschiedlichen
Presszeitfaktoren drei Serien. Pro Serien werden 5 Platten hergestellt. Eine Variante umfasst
somit 15 Platten. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften dieser Faserplatten stellen
die Grundlage zur Beurteilung der PF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten dar. Untersucht werden die Querzugfestigkeiten (DIN EN 319), die Quellwerte
nach 24 h Wasserlagerung (DIN EN 317), die Rohdichten (DIN EN 323) sowie die
Formaldehydemissionen nach der Perforator-Methode (DIN EN 120). Aufgeführt und
ausgewertet sind die Ergebnisse dieser Faserplatten in Kapitel 4.2.4. Um eine übersichtliche
Darstellung zu erzielen, werden die Ergebnisse jeder Serie einer Variante jeweils als
Mittelwerte dargestellt.
86 Material & Methoden
Tabelle 3-7: Herstellungsparameter der Referenz-Faserplatten gebundenen mit Phenol-Formaldehyd-Harz
Herstellungsparameter / Variante I II III
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 10 10 10
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 10,5 10,5 10,5
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 11,0 11,0 11,0
Bindemittel Phenol-Formaldehyd-Harz HW 1808 Fa. BAKELITE Feststoffgehalt (%) 29 29 29
Beleimgrad atro (%) 12 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0 1 0
HYDROWAX 730 atro (%) 0 0 1
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 95 95 95
TemperaturAusgang (°C) 75 75 75
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 18
24
30
18
24
30
18
24
30
Gesamtanzahl der Platten 15 Stück 15 Stück 15 Stück
Die Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Anfertigung dieser Platten sind in
Tabelle 3-8 aufgeführt. Dabei handelt es sich um die Standardeinstellungen für Kunstharz
gebundene Mitteldichte Faserplatten im Pilotmaßstab mit einer theoretischen Plattenstärke
von 10 mm und einer Zielrohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002). Diese
Anlagenparameter werden zur Herstellung aller in diesem Kapitel beschriebenen Phenol-
Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten verwendet.
Material & Methoden 87
Tabelle 3-8: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung der 10 mm starken, PF-Harz gebundenen MDF-Platten mit einer Rohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002)
Maschinenteil Einstellung
Geschwindigkeit Transportband Mischer 50 Hz
Poti Mischer 4,5
Geschwindigkeit Zuführband Bunker 1000 Hz
Geschwindigkeit Dosierband Bunker 150 Hz
Austragswalzen 300 Hz
Streuwalzen 1, 3 und 5 500 Hz
Streuwalzen 2, 4 und 6 250 Hz
Formbandgeschwindigkeit 150 Hz
Streuhöhe Rückstreifrechen 40 cm
3.2.4 Herstellung von UF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Parallel zu den im folgenden Kapitel 3.2.5 beschriebenen Substitutionsversuchen von Phenol-
Formaldehyd-Harz durch Weizenprotein werden Versuche im Pilotmaßstab mit
Mischkondensaten, bestehend aus unterschiedlichen Mengenverhältnissen von Harnstoff-
Formaldehyd-Harz und Weizenprotein, durchgeführt. Dabei soll das potentiell mögliche
Substitutionsvolumen von petrolchemischem Harnstoff-Formaldehyd-Harz durch das
naturnahe Weizenproteinbindemittel, unter Variation der Mengenverhältnisse beider
Bindemittelkomponenten in Bezug auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften der
hergestellten Mitteldichten Faserplatten untersucht werden. Als Bindemittelkomponenten zur
Herstellung der unterschiedlichen Leimflotten werden das Harnstoff-Formaldehyd-Harz
Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF und das Weizenprotein der Fa. CERESTAR in den
prozentualen Mengenverhältnissen 75/25 (Variante I), 50/50 (Variante II) sowie 25/75
(Variante III), immer bezogen auf die gesamte Bindemittelmenge von 12 % atro bezogen auf
atro Faser, verwendet.
Die Mengenverhältnisse der einzelnen Mischkondensate werden pro Variante sowohl ohne als
auch mit 1 % Hydrophobierungsmittel bezogen auf atro Faser hergestellt. Dabei handelt es
sich um die zwei Hydrophobierungsmittel HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa.
SASOL deren Verwendung voneinander getrennt in diesen Varianten untersucht werden soll.
Ein Ziel dieser Untersuchungen ist es, mögliche Unterschiede der beiden Paraffine
hinsichtlich ihrer hydrophobierenden Wirkungen und ihrer Verträglichkeit mit dem
Weizenprotein festzustellen.
88 Material & Methoden
Tabelle 3-9: Herstellungsparameter der mit Mischkondensaten aus Urease-Formaldehyd-Harz der Fa. BASF und Weizenprotein der Fa. CERESTAR gebundenen MDF-Platten
Herstellungsparameter / Variante I II III
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 10 10 10
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 12,5 12,5 12,5
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 11 11 11,5
Bindemittel I UF-Harz Kauritec 407® flüssig Fa. BASF Feststoffgehalt (%) 66 66 66
Bindemittel II Weizenprotein der Fa. CERESTAR Feststoffgehalt (%) 43,5 43,5 43,5
Mengenverhältnis PF/WP atro (%) 75/25 50/50 25/75
Beleimgrad Mischkondensat atro (%) 12 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
0
1
0
1
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
0
1
0
1
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 65 65 65
TemperaturAusgang (°C) 45 45 45
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 18
24
30
18
24
30
18
24
30
Gesamtanzahl der Platten 45 Stück 45 Stück 45 Stück
Material & Methoden 89
Durch die Zugabe von zwei unterschiedlichen Hydrophobierungsmitteln, die Verwendung
unterschiedlicher Presszeitfaktoren und die Anfertigung von MDF-Platten ohne
Hydrophobierungsmittel ergibt sich bei einer Anzahl von 5 Platten pro Serie ein Umfang von
45 MDF-Platten (9 Serien) pro Variante. Die vollständigen Versuchsparameter aller Varianten
und die farblich gekennzeichneten variablen Versuchsparameter sind in Tabelle 3-9
dargestellt.
Die Mitteldichten Faserplatten, die unter Verwendung der unterschiedlichen Mischkondensate
bestehend aus UF-Harz und Weizenprotein hergestellt werden, haben ausschließlich eine
Endstärke von 10 mm. Die Zielrohdichte dieser Platten beträgt 800 kg/m³ bei einem Format
von 800 mm x 400 mm. Die Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Herstellung
dieser Platten sind in Tabelle 3-10 aufgeführt. Diese Mitteldichten Faserplatten werden nach
ihrer Herstellung und einer Konditionierungsphase auf ihre mechanisch-technologischen
Eigenschaften, d.h. der Rohdichten (DIN EN 323) und Dicken sowie der Querzugfestigkeiten
(DIN EN 319), der Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung (DIN EN 317) und der
Formaldehydabgabe nach der Perforator-Methode (DIN EN 120), hin untersucht. Die
Ergebnisse sind in Kapitel 4.2.3 dargestellt. Die Ergebnisse dieser MDF-Platten werden als
Mittelwerte dargestellt. Dabei werden jeweils die Ergebnisse einer Serie pro Variante
zusammengefasst.
Tabelle 3-10: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung von 10 mm starken MDF-Platten mit einer Zielrohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002)
Maschinenteil Einstellung
Geschwindigkeit Transportband Mischer 50 Hz
Poti Mischer 4,5
Geschwindigkeit Zuführband Bunker 1000 Hz
Geschwindigkeit Dosierband Bunker 150 Hz
Austragswalzen 300 Hz
Streuwalzen 1, 3 und 5 500 Hz
Streuwalzen 2, 4 und 6 250 Hz
Formbandgeschwindigkeit 150 Hz
Streuhöhe Rückstreifrechen 40 cm
90 Material & Methoden
3.2.5 Herstellung von PF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Die mit Bindemittelflotten, bestehend aus Phenol-Formaldehyd-Harz Typ HW 1808 der Fa.
BAKELITE und Weizenprotein, hergestellten Mitteldichten Faserplatten sollen das optimale
Substitutionspotential dieser beiden Bindemittelkomponenten, bezogen auf die mechanisch-
technologischen Eigenschaften der MDF-Platten, aufzeigen. Dabei setzen sich die
verwendeten Leimflotten aus unterschiedlichen Mengenanteilen der beiden
Bindemittelkomponenten zusammen. Die Leimflotten, bestehend aus Phenol-Formaldehyd-
Harz und Weizenprotein, werden in den Mengenverhältnissen 75/25 (Variante I), 50/50
(Variante II) und 25/75 (Variante III) zur Herstellung der Faserplatten verwendet (vgl. auch
Tabelle 3-11 ). Der Beleimgrad (atro) bei allen verwendeten Leimflotten beträgt 12 %
bezogen auf atro Faser. Der ausgerechnete absolut trockene Bindemittelgehalt entspricht
daher 100 Prozent und wird anschließend in die verschiedenen Mengenverhältnisse der beiden
Bindemittelkomponenten aufgeteilt. Durch die unterschiedlichen Feststoffgehalte der beiden
Bindemittel ergeben sich auf diese Weise abweichende Lutrowerte bei der Einwaage der
Leimkomponenten.
Die verschiedenen Leimflotten werden sowohl ohne weitere Zugabestoffe als auch in
Kombination mit den beiden Hydrophobierungsmitteln HYDROWAX 138 und HYDROWAX
730 der Fa. SASOL verwendet. Dadurch soll der Einfluss dieser Zugabestoffe auf die spätere
Dickenquellung (DIN EN 317) der Mitteldichten Faserplatten untersucht werden. Die
Hydrophobierungsmittel werden dabei nicht kombiniert sondern nur separat verwendet.
Als letzter Parameter bei der Durchführung dieser Versuche wird der Einfluss
unterschiedlicher Presszeitfaktoren auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften dieser
Holzwerkstoffe untersucht. Dabei werden analog zu den Referenzplatten (vgl. Kapitel 3.2.3)
die Presszeitfaktoren 18, 24 und 30 Sekunden pro mm Plattendicke bei der Herstellung dieser
Faserplatten verwendet. Durch die Verwendung von drei unterschiedlichen Presszeitfaktoren
und die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln ergeben sich pro Variante 9 Serien. Pro Serie
werden 5 Platten hergestellt, d.h. es werden pro Variante I bis III jeweils 45 Platten
hergestellt. Die Versuchsmatrix zur Feststellung des optimal möglichen
Substitutionspotentials von Phenol-Formaldehyd-Harz durch Weizenprotein bei der
Herstellung von Faserplatten ist in Tabelle 3-11 dargestellt. Dabei sind die jeweils
veränderten Herstellungsparameter durch die sich die einzelnen Varianten I bis III
unterscheiden in blauer Schrift dargestellt.
Material & Methoden 91
Tabelle 3-11: Herstellungsparameter der mit Mischkondensaten aus Phenol-Formaldehyd-Harz und Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Herstellungsparameter / Variante I II III
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 10 10 10
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 12,0 12,0 11,5
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 11,0 11,5 11,0
Bindemittel I Phenol-Formaldehyd-Harz HW 1808 Fa. BAKELITE Feststoffgehalt (%) 29 29 29
Bindemittel II Weizenprotein der Fa. CERESTAR Feststoffgehalt (%) 43,5 43,5 43,5
Mengenverhältnis PF/WP atro (%) 75/25 50/50 25/75
Beleimgrad Mischkondensat atro (%) 12 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
0
1
0
1
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
0
1
0
1
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 85 85 85
TemperaturAusgang (°C) 65 65 65
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 18
24
30
18
24
30
18
24
30
Gesamtanzahl der Platten 45 Stück 45 Stück 45 Stück
92 Material & Methoden
Die Mitteldichten Faserplatten zur Ermittlung des optimalen Substitutionspotentials von
Phenol-Formaldehyd-Harz durch Weizenprotein werden ausschließlich in einer Plattenstärke
von 10 mm und einer Zielrohdichte von 800 kg/m³ hergestellt. Die Einstellungen der Pilot-
MDF-Anlage zur Herstellung dieser Werkstoffe sind in Tabelle 3-12 dargestellt. Diese
Einstellungen gelten für alle in diesem Kapitel beschriebenen Faserplatten, unabhängig vom
Mengenverhältnis der beiden Bindemittelkomponenten.
Tabelle 3-12: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung von 10 mm starken MDF-Platten mit einer Rohdichte von 800 kg/m³ (SCHÖPPER, 2002)
Maschinenteil Einstellung
Geschwindigkeit Transportband Mischer 50 Hz
Poti Mischer 4,5
Geschwindigkeit Zuführband Bunker 1000 Hz
Geschwindigkeit Dosierband Bunker 150 Hz
Austragswalzen 300 Hz
Streuwalzen 1, 3 und 5 500 Hz
Streuwalzen 2, 4 und 6 250 Hz
Formbandgeschwindigkeit 150 Hz
Streuhöhe Rückstreifrechen 40 cm
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der unter Kapitel 3.2.3 hergestellten PF-Harz
gebundenen Faserplatten dienen als Referenzwerte bei der Beurteilung dieser Werkstoffe zur
Feststellung des optimalen Substitutionspotentials. Die Ergebnisse der mechanisch-
technologischen Untersuchungen der mit Phenol-Formaldehyd-Harz/Weizenprotein
gebundenen Mitteldichten Faserplatten sind in Kapitel 4.2.4 sowohl graphisch als auch
tabellarisch aufgearbeitet. Dabei werden jeweils die Ergebnisse einer Serie pro Variante als
Mittelwerte dargestellt. Hauptuntersuchungsmerkmale stellen hierbei die Rohdichte (DIN EN
323), die Plattenstärke, die Querzugfestigkeiten (DIN EN 319), die Quellwerte nach 24 h
Wasserlagerung (DIN EN 317) und die Perforatorwerte (DIN EN 120) der hergestellten
Faserplatten dar.
3.2.6 Herstellung von Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Die Herstellung der im Rahmen dieser Dissertation mit einer Weizenprotein-Suspension
gebundenen Mitteldichten Faserplatten erfolgt ebenfalls, wie die bereits beschriebenen
Versuche zur Herstellung von MDF-Platten im Pilotmaßstab auf der Pilot-MDF-Anlage des
Material & Methoden 93
NHN. Dazu werden Faserplatten in den theoretischen Stärken 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 und 18
mm hergestellt, um ein möglichst realistisches Anwendungsspektrum dieses naturnahen
Bindemittels aus nachwachsenden Rohstoffen auf Weizenproteinbasis für eine spätere
industrielle Produktion von Mitteldichten Faserplatten nach dem Trockenverfahren
einschätzen zu können. Dazu wird das Weizenprotein alleine bzw. in Kombination mit den
konventionellen Paraffinen HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL als
Leimflotte zur Herstellung der Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab mit einer
Zielrohdichte von 800 kg/m³ verwendet.
Zusätzlich werden Mitteldichte Faserplatten mit einer Leimflotte, bestehend aus der
Weizenprotein-Suspension und Haftvermittlern bzw. Additiven auf SiO2-Basis ohne weitere
Zugabe von Hydrophobierungsmitteln angefertigt. Die Verwendung dieser Additive in der
Leimflotte soll Aufschluss darüber geben, ob es sich hierbei um einen Haftvermittler handelt,
durch den verbesserte mechanisch-technologische Eigenschaften bei den hergestellten
Mitteldichten Faserplatten erzielt werden können. Die Einflüsse dieses SiO2 basierten
Additives auf die Eigenschaften der Mitteldichten Faserplatten sollen anhand der gemessenen
Querzugfestigkeiten und Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung ermittelt werden. Die
Idee, Additive als Hydrophobierungsmittel zu verwenden, ergab sich erst zu einem späteren
Zeitpunkt in diesem Forschungsvorhaben, so dass die Auswirkungen dieses Haftvermittlers
aus Zeitgründen nicht bei allen Plattenstärken der mit Weizenprotein gebundenen MDF-
Platten überprüft werden konnten.
Die genauen Herstellungsparameter der Weizenprotein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten der Variante I bis Variante VIII sind in Tabelle 3-13 bis Tabelle 3-15 aufgeführt.
Die Varianten haben dabei einen Plattenumfang von 25 bzw. 30 Platten, da sich pro Variante
5 bzw. bei Verwendung des SiO2 basierten Additives 6 Serien á 5 Platten ergeben. Zur
Herstellung dieser MDF-Platten wurde ausschließlich die Weizenprotein-Suspension mit dem
einem Feststoffgehalt von 43,5 % verwendet um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.
Änderungen des Feststoffgehaltes im Bindemittel würden sich auf die theoretische, beleimte
Feuchte des Fasermaterials auswirken, was wiederum unterschiedliche
Trocknungstemperaturen zum Erreichen der beleimten und getrockneten Faserfeuchten
voraussetzen würde. Durch eine höhere Trocknung, aufgrund eines geringeren
Feststoffgehaltes und dem damit verbundenen, höheren Wassergehalt im Bindemittel, käme
es zu nicht vergleichbaren Ergebnissen.
94 Material & Methoden
Tabelle 3-13: Parameter zur Anfertigung der WP gebundenen MDF-Platten (Varianten I bis III)
Herstellungsparameter / Variante I II III
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 4 6 8
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 11,5 12,0 12,0
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 9,0 9,5 9,5
Bindemittel Weizenprotein der Fa. CERESTAR Feststoffgehalt (%) 43,5 43,5 43,5
Beleimgrad auf atro Fasermaterial (%) 15 15 15
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
2
0
1
2
0
1
2
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
2
0
1
2
0
1
2
Additiv auf SiO2-Basis TYP 1 atro (%) 2 2 2
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 60 60 60
TemperaturAusgang (°C) 40 40 40
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 24 24 24
Gesamtanzahl der Platten 30 Stück 30 Stück 30 Stück
Material & Methoden 95
Tabelle 3-14: Herstellungsparameter für die WP gebundenen MDF-Platten (Varianten IV bis VI)
Herstellungsparameter / Variante IV V VI
Werkstoffdimensionen
Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 10 12 14
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 12,0 12,0 11,0
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 10,5 11,5 11,0
Bindemittel Weizenprotein der Fa. CERESTAR Feststoffgehalt (%) 43,5 43,5 43,5
Beleimgrad auf atro Fasermaterial (%) 15 15 15
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
2
0
1
2
0
1
2
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
2
0
1
2
0
1
2
Additiv auf SiO2-Basis TYP 1 atro (%) 2 2 2
Trocknung
TemperaturEingang (°C) 55 55 55
TemperaturAusgang (°C) 40 40 40
Vorverdichtung
Pressdruck (N/cm²) 1,2 1,2 1,2
Presszeit (Min.) 2 2 2
Heißpressen
Pressenschließzeit (Sek.) 15 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 24 24 24
Gesamtanzahl der Platten 30 Stück 30 Stück 30 Stück
96 Material & Methoden
Tabelle 3-15: Parameter für die WP gebundenen Faserplatten (Varianten VII und VIII)
Herstellungsparameter / Variante VII VIII
Werkstoffdimensionen Theoretische Plattenlänge und -breite (mm) 800 x 400 800 x 400
Theoretische Plattendicke (mm) 16 18
Zielrohdichte (kg/m³) 800 800
Fasermaterial Kiefernholz-Industriefaserstoff der Fa. STEICO Ausgangsfeuchte (%) 11,5 12,0
Beleimte und getrocknete Feuchte (%) 12,0 12,5
Bindemittel Weizenprotein der Fa. CERESTAR Feststoffgehalt (%) 66 66
Beleimgrad auf atro Fasermaterial (%) 12 12
Zugabestoffe Hydrophobierungsmittel der Fa. SASOL HYDROWAX 138 atro (%) 0
1
2
0
1
2
HYDROWAX 730 atro (%) 0
1
2
0
1
2
Trocknung TemperaturEingang (°C) 1,2 1,2
TemperaturAusgang (°C) 40 40
Vorverdichtung Pressdruck (N/cm²) 50 50
Presszeit (Min.) 2 2
Heißpressen Pressenschließzeit (Sek.) 15 15
Pressenöffnungszeit (Sek.) 10 10
Presstemperatur (°C) 195 195
Pressdruck (N/cm²) 5,7 5,7
Presszeit (Sek./mm Plattendicke) 24 24
Gesamtanzahl der Platten 25 Stück 25 Stück
Zur Anfertigung der in Variante I bis VIII beschriebenen Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten in den Dicken 4 mm bis 18 mm werden die in Tabelle 3-16
aufgeführten Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage verwendet. Da sich diese
Parameter nicht nur auf die Herstellung der in Tabelle 3-13 bis Tabelle 3-15 beschriebenen
Weizenprotein gebundenen MDF-Platten beziehen, sondern die grundsätzlichen
Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage für die Herstellung von Mitteldichten
Material & Methoden 97
Faserplatten mit einer Zielrohdichte von 800 kg/m³ darstellen, sind die Einstellungen nicht
nach Variante I bis Variante VIII sondern ausschließlich nach der theoretischen Plattenstärke
unterteilt.
Tabelle 3-16: Maschineneinstellungen der Pilot-MDF-Anlage zur Herstellung von Weizenprotein gebundenen MDF-Platten in den Stärken 4 bis 18 mm und einer Rohdichte von 800 kg/m³
Maschinenteil / Theore-tische Plattenstärke
4 mm
6 mm
8 mm
10 mm
12 mm
14 mm
16 mm
18 mm
Poti Mischer 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5
Zuführband Bunker (Hz) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000
Dosierband Bunker (Hz) 150 150 150 150 150 150 150 150
Austragswalzen (Hz) 225 225 225 300 300 300 375 375
Streuwalzen 1, 3, 5 (Hz) 400 400 400 500 500 500 600 600
Streuwalzen 2, 4, 6 (Hz) 200 200 200 250 250 250 300 300
Formband (Hz) 300 250 200 150 125 100 75 50
Muldengurtförderer (Hz) 50 50 50 50 50 50 50 50
Rückstreifrechen (cm) 25 30 35 40 45 50 55 60
Die nach den Herstellungsparametern in Tabelle 3-13 bis Tabelle 3-16 angefertigten
Weizenprotein gebundenen MDF-Platten werden nach einer Konditionierungsphase, die zum
Abkühlen der Faserplatten und zur Einstellung der Ausgleichsfeuchte in den Werkstoffen
dient, mit einer Formatkreissäge in Prüfkörper geschnitten und auf ihre mechanisch-
technologischen Eigenschaften hin untersucht. Dazu werden die Mitteldichten Faserplatten,
gebunden mit dem naturnahen Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen auf
Weizenproteinbasis, nach den gültigen Prüfvorschriften nach DIN (vgl. Kapitel 3.3.2 ff.) auf
ihre Querzugfestigkeiten (DIN EN 319), ihre Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung
(DIN EN 317) und ihre Rohdichten (DIN EN 323) hin untersucht. Die 10 mm starken
Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten werden zusätzlich auf ihre
Formaldehydabgabe, ermittelt nach der Perforator-Methode (vgl. Kapitel 3.3.3.1), hin
untersucht, da diese Messungen Referenzwerte zu den Formaldehydemissionen der mit
Mischkondensaten gebundenen MDF-Platten (vgl. Kapitel 3.2.4 und 3.2.5) darstellen. Die
Ergebnisse sind in Kapitel 4.2.5 jeweils als Mittelwerte einer Variante in Form von
Balkendiagrammen dargestellt.
98 Material & Methoden
3.3 Ermittlung der mechanisch-technologischen Eigenschaften
3.3.1 Universal-Prüfmaschine
Typbezeichnung & Funktionsbeschreibung
Im Rahmen dieser Dissertation wurde zur Ermittlung der mechanisch-technologischen
Eigenschaften der hergestellten MDF-Platten eine Material-Prüfmaschine (MPM) der Fa.
ZWICK/ROELL verwendet. Hierbei handelt es sich um eine Tischprüfmaschine des Typs T1-
FR010TH.A50 mit einer maximalen Prüfkraft von 10 kN. Aus der Typenbezeichnung können
alle markanten Angaben über diese MPM abgelesen werden. Dabei bedeuten:
T1 = testControl-Elektronik
FR = Material-Prüfmaschine
010 = maximale Prüfkraft von 10 kN
T = Tischausführung
H = verlängerte Bauform des Lastrahmens
.A50 = AC-Antrieb 500 W
Der Rahmen der Material-Prüfmaschine bildet zusammen mit der elektronischen Mess-,
Steuer- und Regeleinheit der testControl-Baureihe die Grundeinheit für die Prüfung
unterschiedlichster Materialien. Der Lastrahmen besteht standardmäßig aus zwei
Führungsprofilen mit integrierten, spielfreien Kugelgewindegetrieben, einer festen unteren
und fahrbaren mittleren Traverse sowie einem Kopfblech. Der Antrieb befindet sich im
Sockel.
Eine in das Führungsprofil integrierte Faltenbalgabdeckung schützt Spindeln und Führung
selbst bei extremem Anfall von Faserresten, Splittern und Staub. Zum Anschluss von
Prüfwerkzeugen oder des Kraftaufnehmers dient die einheitliche Zentralbefestigung in den
Traversen. Durch die Verwendung der Standprofile ist der Arbeitsraum der Material-
Prüfmaschine in beliebiger Höhe einrichtbar. Die MPM ist für quasistatische Beanspruchung
mit zügigem, ruhendem, schwellendem oder wechselndem Verlauf durch einen
elektromechanischen Antrieb konzipiert. Sie ist für Zug-, Druck- und Biegeversuche
entwickelt.
Die Material-Prüfmaschine der Fa. ZWICK/ROELL wird mithilfe der Bedienelemente an der
außen am Standprofil angebrachten testControl-Elektronik sowie der mitgelieferten Software
testXpert über einen angeschlossenen PC gesteuert.
Material & Methoden 99
Kraftaufnehmer & Längenänderungsaufnehmer
Der verwendete Kraftaufnehmer des Typs TC-LC010KN.G02 wandelt die physikalische
Größe Kraft in eine elektrisch messbare Spannung um. Er besteht aus dem mechanischen
Verformungskörper mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen (DMS). Die DMS sind
dehnungsabhängige, elektrische Widerstände und zu einer Messbrücke zusammengeschaltet.
Der Wert der Messspannung am Ausgang der Brückenschaltung ist analog zu der zu
messenden Kraft (F), die auf den Verformungskörper und auf das ganze Aufnahmesystem
wirkt. Das Vorzeichen (Polarität) der Messspannung ändert sich mit der Zug- oder
Druckbeanspruchung des Aufnehmers.
Der verwendete Längenänderungsaufnehmer vom Typ TC-EXCOMFL.001 der Fa.
ZWICK/ROELL ist ein manuell ansetzbarer Aufnehmer. Beim 3-Punkt-Biegeversuch erfasst er
die Durchbiegung. Bei der Durchführung von Druckversuchen wird mit Hilfe des
Längenänderungsaufnehmers der Verformungsweg der zu prüfenden Probe ermittelt.
Software testXpert
Die Software testXpert der Fa. ZWICK/ROELL dient zur Einrichtung und Steuerung der
Prüfmaschine über einen angeschlossenen PC.
Zum Umfang der mitgelieferten Software testXpert gehören auch die Masterprüfvorschriften,
die für die Durchführung von diversen Prüfungen zur Ermittlung der einzelnen mechanisch-
technologischen Eigenschaften von Holzwerkstoffen notwendig sind. Für jedes einzelne
Prüfverfahren (Querzugfestigkeit, Abhebefestigkeit, 3-Punkt-Biegefestigkeit,
Schraubenausziehversuch, usw.) gibt es eine Masterprüfvorschrift, die der Benutzer
hinsichtlich der Holzwerkstoffkategorie (Mitteldichte Faserplatten, Spanplatten, Oriented
Strand Board, Furnier etc.) und weiterer Charakteristika (Plattenstärke, Rohdichte,
Bindemittel, etc.) einrichten und unter einem beliebigen Namen speichern kann. Dabei wird
die Prüfmaschine bei den einzelnen Prüfverfahren hinsichtlich der Startposition,
Prüfgeschwindigkeit, Prüfkraft, zu messender Eigenschaften, etc. eingerichtet. Diese
Einstellungen bleiben im jeweiligen Prüfprogramm gespeichert. Dies hat den Vorteil, dass
man nach erfolgreicher Einrichtung der einzelnen Prüfprogramme schnell und
unproblematisch die Prüfungen durchführen kann und eine umständliche Einstellung aller
Parameter vor einer durchzuführenden Prüfung an der Maschine entfällt.
100 Material & Methoden
3.3.2 DIN-/EN-Vorgaben für die Prüfung von Mitteldichten Faserplatten
Die in den folgenden Kapiteln 3.3.2.1 bis 3.3.2.5 aufgeführten Prüfverfahren und
Anforderungen nach DIN EN sind für die im Rahmen dieser Dissertation nach dem
Trockenverfahren hergestellten Mitteldichten Faserplatten relevant. Nach diesen
Prüfvorschriften werden die MDF-Platten auf ihre mechanisch-technologischen Eigenschaften
hin untersucht. Die Ergebnisse der mechanisch-technologischen Prüfungen sind in den
Kapiteln 4.2.1 bis 4.2.5 zusammengestellt.
3.3.2.1 DIN EN 317 Bestimmung der Dickenquellung nach Wasserlagerung
Die Probenahme und der Zuschnitt der Prüfkörper werden nach der Vorschrift DIN EN 326-1
(vgl. Kapitel 3.3.2.4) durchgeführt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Prüfkörper
quadratisch sind und eine Seitenlänge von 50 mm (± 1 mm) nicht über- bzw. unterschreiten
(vgl. Abbildung 3-3). Die Prüfkörper werden vor der Prüfung bis zur Massekonstanz bei einer
mittleren relativen Luftfeuchte von 65 % (± 5 %) und einer Temperatur von 20 °C (± 2 °C)
klimatisiert. Nach der Klimatisierung ist die Dicke jedes einzelnen Prüfkörpers nach DIN EN
325 am Schnittpunkt der Diagonalen auf 0,01 mm zu ermitteln (vgl. Abbildung 3-3).
Abbildung 3-3: Prüfkörper für die Messung der Dickenquellung
50 ± 1
50 ±
1
Material & Methoden 101
Die Prüfkörper werden nach der Vermessung vertikal in sauberem, ruhendem Wasser mit
einem pH-Wert von 7 (± 1) und einer Temperatur von 20 °C (± 1 °C) gelagert. Die
Temperatur ist während der gesamten Versuchsdauer einzuhalten. Die Prüfkörper müssen
dabei einen ausreichenden Abstand untereinander, zu den Seitenwänden sowie vom Boden
aufweisen. Die Oberkante der Prüfkörper muss 25 mm (± 5 mm) unter der Wasseroberfläche
liegen. Die Wasserlagerungszeit beträgt 24 Stunden. Nach Ablauf der Wasserlagerungszeit
werden die Prüfkörper aus dem Wasserbad entfernt und die Dicke jedes einzelnen Prüfkörpers
wird nach DIN EN 325 bestimmt (DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998). Die
Berechnung der Dickenquellung ist im Anhang unter Kapitel 8.3.1 aufgeführt. Die
Dickenquellung einer MDF-Platte wird als Mittelwert in Prozent der einzelnen Proben dieser
Faserplatte angegeben.
3.3.2.2 DIN EN 319 Bestimmung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene
Die Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene, auch Querzugfestigkeit genannt, beschreibt das
Verhältnis der Bruchkraft zur Querschnittsfläche eines Prüfkörpers. Dieser Test wird mit
Hilfe der in Kapitel 3.3.1 beschriebenen Universal-Prüfmaschine unter Verwendung
geeigneter Prüfjochen aus MULTIPLEX durchgeführt.
Dazu werden die Proben nach DIN EN 326-1 vorbereitet. Dabei ist darauf zu achten, dass die
Prüfkörper präzise auf ein Maß von 50 x 50 mm (± 1mm) geschnitten werden, die Winkel
sollen dabei exakt 90° betragen und die Kanten sauber und gerade sein. Die Maße werden
nach dem Zuschnitt mit einem Messschieber überprüft. Die Proben und die Prüfjochen
werden vor der Prüfung bei einer mittleren relativen Luftfeuchte von 65 % (± 5 %) und einer
Temperatur von 20 °C (± 2 °C) klimatisiert.
Nach der Klimatisierung werden die Prüfkörper mit den Multiplex-Prüfjochen mit Heißkleber
verklebt. Der Kleber wird zuvor auf einer Heizplatte bis zum Schmelzen erhitzt und
anschließend gleichmäßig auf die Oberflächen der Prüfkörper und der Prüfjochen
aufgebracht. Überflüssiger Klebstoff, der beim Zusammenpressen aus den Klebefugen
herausgepresst wird, wird sauber entfernt. Das Aushärten des Schmelzkleber erfolgt bei
Normalklima, d.h. bei einer Temperatur von 20 °C (± 2 °C) und einer relativen Luftfeuchte
von 65 % (± 5 %), für eine Dauer von 24 h. Ein vollständiges Aushärten des Schmelzklebers
102 Material & Methoden
vor der Prüfung der Proben ist notwendig, da man auf diese Weise Brüche in der Klebefuge
beim Prüfvorgang verhindert.
Für die Prüfung werden die Prüfjochen zusammen mit dem eingeklebten Prüfkörper an beiden
Seiten in Selbstausrichtende Wellengelenke in der Prüfmaschine eingespannt und bis zum
Bruch belastet. Die Last ist mit einer während der Prüfung konstanten Geschwindigkeit des
Lastkopfes aufzubringen. Die Belastungsgeschwindigkeit ist dabei so einzustellen, dass die
Höchstkraft (FMax) innerhalb von 60 s (± 30 s) erreicht wird (DEUTSCHES INSTITUT FÜR
NORMUNG e. V., 1998). Die Querzugfestigkeit (FBruch) wird dabei automatisch von der
Universal-Prüfmaschine aus der maximal auf den Prüfkörper ausgeübten Kraft (FMax),
bestimmt mit einer Genauigkeit von 1 %, ermittelt. Die Querzugfestigkeit einer Mitteldichten
Faserplatte wird in N/mm² als Mittelwert aller geprüften Proben einer Platte angegeben. Die
Berechung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene kann analog auch mit der im Anhang
unter Kapitel 8.3.2 angegebenen Rechnung erfolgen.
3.3.2.3 DIN EN 323 Bestimmung der Rohdichte
Die Probennahme und der Zuschnitt der Prüfkörper erfolgen nach DIN EN 326-1 (vgl.
Kapitel 3.3.2.4). Dabei ist darauf zu achten, dass die Form der Prüfkörper quadratisch ist und
eine Seitenlänge von nominal 50 mm aufweist. Die Proben werden vor dem Vermessen bis
zur Massekonstanz bei einer Luftfeuchte von 65 % (± 5 %) und einer Temperatur von 20 °C
(± 2 °C) klimatisiert. Jeder Prüfkörper wird danach mit Hilfe einer Tischwaage auf 0,01 g
genau gewogen.
Anschließend wird die Dicke t am Schnittpunkt der Diagonalen auf 0,05 mm gemessen,
indem der Messschieber langsam auf die Oberfläche des Prüfkörpers herangeführt wird. Die
Seitenlängen b1 und b2 werden parallel zu den Kanten des Prüfkörpers in Höhe des
Diagonalenschnittpunktes auf 0,1 mm exakt gemessen (DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG
e. V., 1998). Zur Verdeutlichung der Maßermittlung dient die Abbildung 3-4. Die Berechnung
der Rohdichte ist im Anhang in Kapitel 8.3.3 erläutert. Die Rohdichte einer Faserplatte wird
als Mittelwert in kg/m³ aller gemessenen Proben einer MDF-Platte angegeben.
Material & Methoden 103
Abbildung 3-4: Messstellen für die Ermittlung der Seiten-längen und der Dicke des Prüfkörpers
3.3.2.4 DIN EN 326-1 Probennahme, Zuschnitt und Überwachung
In Abbildung 3-5 ist ein schematischer Schnittplan nach DIN EN 326-1 graphisch dargestellt.
Abbildung 3-5: Schematischer Schnittplan für die Probennahme bei Holzwerkstoffen
B1 = I1 Q1 D1
B7
┴
B2 =
B3 =
B4 =
B5 =
B6 =
D2 I2
Q2
Q3 I3 D3
I4 Q4
> 1600 mm
> 80
0 m
m
B8
┴
B9
┴ B10
┴
B11
┴
B12
┴
Q5
D4
Q6
I5D5
I6
Q7
D6 I7
I8
Q8
b1b 2
104 Material & Methoden
Diese Europäische Norm legt Regeln für die Probennahme und Herstellung von Prüfkörpern
sowie die Angabe und Aufbereitung der Prüfergebnisse fest, um Informationen über die
Eigenschaften von Holzwerkstoffen zu erhalten.
Wegen der Streuung innerhalb und zwischen den Platten ist die Prüfung einer bestimmten
Anzahl von n Platten und einer bestimmten Anzahl von m Prüfkörpern aus der Einzelplatte
notwendig, um zuverlässige Prüfergebnisse zu erhalten. Die vorgeschriebenen Mengen m an
Prüfkörpern einer Einzelplatte für die unterschiedlichen Prüfungen sind in Tabelle 3-17
aufgeführt. Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten mechanisch-technologischen
Prüfungen und die dafür vorgeschriebene Mindestmenge an Prüfkörpern sind in blauer Schrift
hervorgehoben.
Tabelle 3-17: Mindestzahl m von kleinen Prüfkörpern, die aus jeder einzelnen Platte herzustellen sind
Platten-Eigenschaft EN-Norm m Feuchtegehalt En 322 Maßänderung EN 318 4
Rohdichte EN 323 Biege-Elastizitätsmodul und Biegefestigkeit EN 310 6
Querzugfestigkeit EN 319 Dickenquellung nach Wasserlagerung EN 317 Abhebefestigkeit EN 311
8
Qualität der Verklebung von Sperrholz EN 314-2 10
3.3.2.5 DIN EN 622-5 Anforderungen an Platten nach dem Trockenverfahren (MDF)
Um einen Qualitätsstandard für in Europa produzierte Holzwerkstoffe zu garantieren, wurden
für sämtliche Plattenwerkstoffe auf Holzbasis bestimmte Anforderungsprofile festgelegt und
in Form von europäischen Normen definiert. Als Grundlage dienten dafür die bereits vorher
in Deutschland existierenden DIN Normen, die dann z. T. in EU-Normen umgewandelt bzw.
umbenannt wurden. Aus diesem Grund stehen bei vielen dieser Normen sowohl die
Abkürzung DIN als auch das Kürzel EN vorweg. Die Definition dieser Normen erfolgte durch
das DEUTSCHE INSTITUT FÜR NORMUNG e.V. in Zusammenarbeit mit weiteren Europäischen
Komitees.
Die Anforderungsprofile wurden für sämtliche Span- und Faserplatten, für OSB und Furniere
definiert. Dabei werden die Werkstoffe einer Kategorie zunächst hinsichtlich ihrer
grundlegenden Verwendung, d.h. beispielsweise im Trocken- oder Nassbereich und ihres
Herstellungsverfahrens klassifiziert. Bezug nehmend auf ihre spätere Verwendungsart werden
Material & Methoden 105
dann die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Platten als Mindeststandard
festgelegt. Dieser Standard muss von den Werkstoffen erfüllt werden, damit sie in den
unterschiedlichen Anwendungsbereichen verarbeitet werden dürfen. Die mechanisch-
technologischen Eigenschaften richten sich sowohl nach der Verwendungsart als auch nach
der tatsächlichen Dicke, den Nenndickenbereichen, der Werkstoffe. Die Anforderungsprofile
laut DIN EN 622-5 für Mitteldichte Faserplatten, hergestellt nach dem Trockenverfahren, sind
in Tabelle 3-18 aufgeführt.
Tabelle 3-18: Anforderungen an MDF-Platten für allgemeine Zwecke zur Verwendung im Trockenbereich (DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e. V., 1998)
Nenndickenbereiche (mm)
Eigenschaft Prüfver-fahren Einheit 1,8
bis 2,5
> 2,5 bis 4,0
> 4 bis 6
> 6 bis 9
> 9 bis 12
>12 bis 19
> 19 bis 30
> 30 bis 45
> 45
Dickenquellung 24 h
EN 317 % 45 35 30 17 15 12 10 8 6
Querzugfestigkeit EN 319 N/mm² 0,65 0,65 0,65 0,65 0,60 0,55 0,55 0,50 0,50Biegefestigkeit EN 310 N/mm² 23 23 23 23 22 20 18 17 15 Biege-Elastizitätsmodul
EN 310 N/mm² - - 2700 2700 2500 2200 2100 1900 1700
Diese Anforderungsprofile stellen die Bewertungsgrundlage für alle im Rahmen dieser
Promotion hergestellten Mitteldichten Faserplatten dar. Die erzielten mechanisch-
technologischen Eigenschaften der Werkstoffe sind z.B. neben den rheologischen
Eigenschaften des Bindemittels ein wichtiger Faktor um das Potential der in dieser
Dissertation entwickelten Weizenprotein-Suspension für die spätere industrielle Produktion
von Holzwerkstoffen zu beurteilen. Bei Diskussion der mechanisch-technologischen
Eigenschaften der mit UF-Harz, PF-Harz, Weizenprotein sowie Mischkondensaten beleimten
MDF-Platten (vgl. Kapitel 4.2.1 bis 4.2.5) werden daher die in Tabelle 3-18 angegebenen
Mindestanforderungen stets berücksichtigt.
3.3.3 Ermittlung der Formaldehydabgabe aus Mitteldichten Faserplatten
3.3.3.1 Perforator-Methode (DIN EN 120)
Die Perforator-Methode (DIN EN 120) ist eine vom Europäischen Komitee für Normung
akzeptierte Prüfnorm für die Bestimmung des ungebundenen Formaldehyds in
unbeschichteten und/oder unlackierten Holzwerkstoffen. In der speziell für dieses Verfahren
entwickelten Apparatur wird der nach dem Heißpressen noch freie Formaldehyd mit Hilfe
106 Material & Methoden
von siedendem Toluol aus den Werkstoffen extrahiert und an das im Kolben befindliche,
destillierte Wasser abgegeben. Der Formaldehydgehalt der wässrigen Lösung wird dann
anschließend photometrisch nach der Acetyl-Aceton-Methode bestimmt und auf das
Trockengewicht des untersuchten Holzwerkstoffes hochgerechnet.
Perforation
Für die Extraktion werden 100 g des zu untersuchenden Prüfkörpers auf 0,1 g genau
abgewogen und in den Rundkolben der Apparatur gegeben. Dabei muss der Prüfkörper nach
DIN EN 120 eine Größe von 25 mm x 25 mm aufweisen. Nach der Zugabe von 600 ml Toluol
wird der Rundkolben an den Perforator angeschlossen und anschließend werden 1000 ml
destilliertes Wasser in den Perforatoreinsatz eingefüllt. Zwischen der Wasseroberfläche und
dem Siphon müssen 20 bis 30 mm Freiraum verbleiben. Anschließend werden die Kühler-
und Gasabsorptionsvorrichtung sowie der Vorlagekolben der Gasabsorptionsvorrichtung
angeschlossen. Der Vorlagekolben wird mit ca. 100 ml destilliertem Wasser gefüllt, um
eventuell entweichenden Formaldehyd einzufangen. Zum Abschluss werden die Kühlung und
die Heizung eingeschaltet. Der Perforationsvorgang beginnt, wenn erstmals Toluol durch das
Siphonrohr zurückläuft. Die Extraktion des Formaldehyds aus dem Werkstoff dauert ab
diesem Zeitpunkt exakt zwei Stunden, wobei ein ständiger Toluolrücklauf gewährleistet sein
muss. Nach Ablauf der zwei Stunden wird die Heizung ausgeschaltet und die
Gasabsorptionsvorrichtung entfernt. Nachdem das Wasser in der Perforatorapperatur auf
Zimmertemperatur abgekühlt ist, wird es über einen Ablasshahn in einen 2000 ml fassenden
Messkolben gefüllt. Der Perforator wird zweimal mit je 200 ml destilliertem Wasser gespült.
Das Spülwasser wird mit dem im Vorlagekolben befindlichen Wasser in den Messkolben
gefüllt und das Toluol wird vorschriftsmäßig entsorgt. Der Messkolben wird anschließend mit
destilliertem Wasser auf genau 2000 ml aufgefüllt. Zur Bestimmung der Qualität des
verwendeten Toluols muss nach analoger Vorgehensweise ein Blindversuch ohne Prüfkörper
mit frischem Toluol aus derselben Charge durchgeführt werden.
Bestimmung des Formaldehydgehaltes
Für die photometrische Bestimmung des Formaldehydgehaltes im Wasserextrakte werden 10
ml der wässrigen Extraktionslösung mit einer Pipette aus dem 2000 ml Messkolben
Material & Methoden 107
entnommen und in eine 50 ml Flasche gefüllt. In die Flasche werden anschließend 10 ml einer
0,04 M Acetyl-Aceton-Lösung und 10 ml einer 20 %igen Ammoniumacetat-Lösung
pipettiert. Die Flasche wird dann für 15 Minuten in einem mit 40 °C warmen Wasser gefüllten
Wasserschüttelbad gelagert. Mit destilliertem Wasser wird analog ein Blindversuch
durchgeführt. Damit die grünlich-gelb gefärbte Lösung auf Zimmertemperatur abkühlen kann
muss sie eine Stunde ohne Lichteinwirkung ruhig gelagert werden. Anschließend erfolgt die
Absorptionsmessung der Lösung in einem Spektrophotometer bei einer Wellenlänge von 412
nm gegen destilliertes Wasser. Die Berechnung des Formaldehydgehaltes in der Lösung
erfolgt nach der im Anhang unter Kapitel 8.3.4 aufgeführten Formel. Zur Berechnung des
Perforatorwertes muss zuvor eine Kalibrierkurve mit Standard-Formaldehydlösungen
angefertigt werden. Die Kalibrierkurve ist die graphische Darstellung der photometrischen
Analyse von mindestens sieben Standardlösungen mit Formaldehyd-Konzentrationen
zwischen 0,0 mg/ml und 0,015 mg/ml. Die Steigung dieser Kalibrierkurve wird in die Formel
zur Berechnung des Perforatorwertes (vgl. Kapitel 8.3.4) eingesetzt. Weiterhin muss der
Feuchtegehalt der zu untersuchenden Holzwerkstoffproben zuvor ermittelt werden, da dies
eine wichtige Variable bei der Bestimmung des Perforatorwertes ist.
3.4 Mykologische Untersuchungen an Mitteldichten Faserplatten
Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Mykologischen Untersuchungen an
Mitteldichten Faserplatten sind in Kapitel 3.4.1 bis Kapitel 3.4.3 beschrieben. Dabei soll in
Kapitel 3.4.1 der Holzabbau durch unterschiedliche Weiß-, Braun- und Moderfäuleerreger an
ungeschützten und geschützten UF-Harz und Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
anhand des Masseverlustes ermittelt werden.
In Kapitel 3.4.2 soll der Holzabbau durch unterschiedliche Weiß-, Braun- und
Moderfäuleerreger an ungeschützten UF-Harz und Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
nach der radiometrischen Messmethode ermittelt werden. Dabei wird in den ersten
Versuchsreihen zunächst der gesamte Holzabbau nach der radiometrischen Methode an den
MDF-Platten ermittelt. Daraus aufbauende Versuche sollen dann genaueren Aufschluss über
den Abbau der Cellulose des in den MDF-Platten befindlichen Lignins durch diese
Holzzerstörenden Pilze geben.
108 Material & Methoden
In einem weiteren Versuch sollen die Kompostierungsgrade an Weizenprotein gebundenen
MDF-Platten in unterschiedlichen Substraten durch Mikroorganismen radiometrisch ermittelt
werden.
3.4.1 Holzabbauversuch Mitteldichten Faserplatten
Ziel dieses Versuches ist es, einen unterschiedlich schnellen Holzabbau durch Weißfäule-,
Braunfäule- und Schimmelpilze an Mitteldichten Faserplatten zu ermitteln. Dabei werden im
Rahmen dieser Dissertation 10 mm starke Mitteldichte Faserplatten mit unterschiedlichen
Bindemitteln, Harnstoff-Formaldehyd-Harz (BASF Kauritec 407® flüssig, 66 %
Feststoffgehalt) und Weizenproteinleim (Weizenprotein-Suspension, 43,5 % Feststoffgehalt),
verwendet. Um die hemmende Wirkung eines Pilzschutzmittels zu testen, wird bei der
Herstellung einiger Faserplatten eine 0,1 %ige Konzentration (atro Fungizid (g) bezogen auf
atro Faser (g)) des Fungizids MERGAL S 88 der Fa. TROY CHEMICAL EUROPE BV in das
Bindemittel gemischt. Das in dieser Dissertation verwendete Fungizid MERGAL S 88 besteht
aus den Chemikalien Ziram und 2-Benzimidazolecarbamic acid, ist weiß, flüssig, geruchlos
und besitzt eine Dichte von 1,3 g / cm³. Das Fungizid ist mit Wasser mischbar und weißt
einen pH-Wert von 7 bis 9 auf. Bei der Arbeit mit MERGAL S 88 sind Handschuhe, Kittel und
Spritzschutzbrille sowie bei unzureichender Lüftung auch ein Atemschutzgerät zu tragen
(TROY CHEMICAL EUROPE BV, 2001).
Für den Holzabbauversuch werden die Pilzarten Trametes versicolor (Weißfäulepilz),
Coniophora puteana (Braunfäulepilz) und Trichoderma viridae (Schimmelpilz) verwendet.
Bevor der Holzabbauversuch gestartet werden kann, ist es notwendig, die benötigten Pilze in
ausreichender Menge auf Nährmedien anzuziehen. Dazu wird das, für die jeweilige Pilzart
optimale Anzuchtmedium verwendet. Trametes versicolor wird auf BSM-, Coniophora
puteana auf MYA- und Trichoderma viridae auf Raulin-Medium herangezogen. Die
Nährmedien werden nach den in Tabelle 8-1 bis Tabelle 8-4 im Anhang beschriebenen
Rezepturen hergestellt und anschließend im Autoklaven feucht autoklaviert. Nachdem die
Nährmedien auf ca. 50 °C abgekühlt sind, werden sie unter sterilen Bedingungen in
Petrischalen unter der Impfbank gegossen und anschließend mit einem Deckel und Parafilm
fest verschlossen. Am darauf folgenden Tag werden die Pilze unter der Impfbank auf den
entsprechenden Nährmedien angeimpft. Die Bezeichnung der Nährmedien sowie die Anzahl
der hergestellten Nährmedien sind in Tabelle 3-19 aufgeführt.
Material & Methoden 109
Tabelle 3-19: Angesetzte Nährmedien zur Anzucht der unterschiedlichen Holzabbauenden Pilze
Nährmedium/Pilz Trametes versicolor Coniophora puteana Trichoderma viridae
BSM 10 Stück - -
MYA - 10 Stück -
Raulin - - 10 Stück
Summe 10 Stück 10 Stück 10 Stück
Aus den zuvor hergestellten Mitteldichten Faserplatten werden die Holzproben an der
Tischformatkreissäge zurechtgeschnitten. Dabei ist darauf zu achten, dass die Klötzchen alle
die gleichen Formate (50 mm x 25 mm x 10 mm) aufweisen. Es werden insgesamt 234
Holzproben benötigt, die sich aus 45 x UF + MERGAL, 45 x Protein + MERGAL, 72 x UF –
Harz und 72 x Protein zusammensetzen. Die Klötzchen werden durchnummeriert und
anschließend auf der Tischwaage gewogen. Das Gewicht wird in einer Tabelle notiert.
Danach werden sie für 24 h bei 105 °C im Trockenschrank gelagert um das Trockengewicht
der Proben bestimmen zu können. Dabei ist darauf zu achten, dass die Proben vor dem
Wiegen kurz im Exsikkator gelagert werden um eventuell aufgenommenes Wasser bei der
Entnahme aus dem Trockenschrank wieder abzugeben. Die Trockengewichtsbestimmung ist
wichtig, damit später bei den Ergebnissen ein möglicher Wasserverlust nicht als Holzabbau
angenommen wird. Anschließend werden die Holzproben im Autoklaven trocken autoklaviert
(121 °C, 2,4 bar) und danach steril in Aluminiumfolie gelagert.
Die benötigten Spezialgläser werden im Autoklaven trocken autoklaviert und danach
ebenfalls steril gelagert. Danach werden die benötigten Mengen an Nährmedien hergestellt.
Es werden für die Pilzsorten dieselben Nährmedien wie bei der Anzucht der Pilze (siehe dazu
auch Tabelle 3-19) verwendet. Mit einem so genannten „Kippautomat“ werden an der
Sterilbank in jedes Spezialglas exakt 40 ml des jeweils benötigten Nährmediums (siehe dazu
auch Kapitel 8 Tabelle 8-1 bis Tabelle 8-4) gefüllt.
Sind die Nährmedien in den Spezialgläsern geliert, so werden in jedes Gefäß unter sterilen
Bedingungen drei Faserplattenproben am Rand positioniert. In die Mitte des Nährbodens wird
mit einem sterilen Korkbohrer ein Stück des jeweiligen Mycels platziert. Die Gläser werden
anschließend mit dem Datum, der Pilzart und dem Medium sowie den Probennummern
beschriftet und mit einem Deckel und Parafilm verschlossen. Der Holzabbauversuch läuft
über vier Monate, dabei werden die Gläser im Kulturraum gelagert. Nach Ablauf der vier
Monate wird zunächst eine optische Bewuchsbonitierung des Mycels nach SHEKHOLESLAMI
110 Material & Methoden
(1986) durchgeführt. Dabei wird der Überwachsungsgrad des Mycels bestimmt. Die
Einteilungen der Überwachsungsgrade sind in Tabelle 3-20 dargestellt.
Tabelle 3-20: Überwachsungsgrad des Mycels modifiziert nach SHEKHOLESLAMI (1986)
20 % 40 % 60 % 80 % 100 % 120 %
Seitenflächen
zu ¼
überwachsen
Seitenflächen
zu ½
überwachsen
Seitenflächen
zu ¾
überwachsen
Oberkante
erreicht
Vollständig
überwachsen
Üppig
überwachsen
Nach dieser visuellen Untersuchung werden die Proben dann aus den Gläsern entnommen,
vorsichtig vom Mycel befreit und im Trockenschrank bei 105 °C für 24 h getrocknet.
Anschließend wird das Gewicht der Holzproben auf der Tischwaage ermittelt. Aus der
Differenz der ermittelten Trockengewichte, vor dem Versuch und nach dem Versuch, ergibt
sich der prozentuale Holzabbau.
3.4.2 Holzabbau an radioaktiv markierten Mitteldichten Faserplatten (14C)
Um die im Holzabbauversuch (vgl. dazu Kapitel 3.4.1) quantitativ ermittelten Abbauraten
(siehe auch Kapitel 4.3.1) durch die Holzzerstörenden Pilze Trametes versicolor, Coniophora
puteana und Trichoderma viridae genauer definieren zu können, wurde ein weiterer
Holzabbauversuch mit unterschiedlich radioaktiv markierten Holzbestandteilen durchgeführt.
Dazu wurde vollständig 14C-U markiertes Fichtenholz, Fichtenholz nur mit 14C-U markierter
Cellulose und Fichtenholz nur mit 14C-U markiertem Lignin (FREUDENBERG, 1954 und 1968)
verwendet.
Der Holzabbau wurde in der ersten Versuchsserie nur anhand der Trockengewichtsverluste
der untersuchten MDF-Proben bestimmt (vgl. Kapitel 3.4.1). Dabei konnte im Einzelnen nicht
festgestellt werden, wie viel Lignin, Hemicellulose und Cellulose mengenmäßig durch die
Pilze abgebaut wurde. Hinsichtlich der verschiedenen Pilze und ihrer unterschiedlichen
Abbaustrategien (vgl. Kapitel 2.6) ist es von hohem Interesse herauszufinden, in welchen
Mengenanteilen die unterschiedlichen Holzbestandteile Lignin, Cellulose und Hemicellulose
abgebaut werden. Diese Gewichtsanteile lassen sich anhand der 14C-Methode genau
bestimmen.
Material & Methoden 111
Der Versuchsaufbau mit den 14C-U markierten Buchenspänen ist sehr nahe an den in Kapitel
3.4.1 beschriebenen Versuch angelehnt, damit sich die Ergebnisse der 14C-markierten MDF-
Proben mit den MDF-Proben aus dem vorhergehenden Versuch vergleichen lassen. Es
werden die gleichen Bindemittel, wie bereits in Kapitel 3.4.1 beschrieben, zur Herstellung der
Mitteldichten Faserplatten verwendet. Im Gegensatz zum vorhergehenden Holzabbauversuch
(Kapitel 3.4.1) wird in dieser Versuchsreihe ein größeres Spektrum an Holzabbauenden Pilzen
und kein Fungizid eingesetzt. Zusätzlich zu den zuvor verwendeten Pilzen Trametes
versicolor, Coniophora puteana und Trichoderma viridae werden zum Teil noch der
Weißfäulepilz Trametes villosa und der Schimmelpilz Chaetomium globosum hinsichtlich
ihrer Abbaufähigkeiten von Mitteldichten Faserplatten untersucht. Trametes villosa und
Chaetomium globosum werden auf einem Malz-Pepton-Agar angeimpft. Die Herstellung und
die dazu notwendigen Chemikalien sind im Anhang unter Kapitel 8.4.1.4 aufgeführt.
Für den Holzabbauversuch an 14C-markierten MDF-Platten werden unterschiedliche
Nährmedien angesetzt (vgl. auch Tabelle 3-21), autoklaviert und anschließend jeweils genau
100 ml in einen 500 ml Erlenmeyerkolben mit engem Hals gegeben. Die Erlenmeyerkolben
werden unter der Sterilbank mit einem Wattestopfen und Aluminiumfolie verschlossen.
Danach werden sie zum Auskühlen bei +7 °C im Kühlraum gelagert. Wenn die
Erlenmeyerkolben abgekühlt und die Nährmedien ausgehärtet sind, wird das Mycel der
Holzzersetzenden Pilze unter sterilen Bedingungen auf die Kolben überimpft (vgl. Tabelle
3-21). Die Kolben werden anschließend wieder mit Wattestopfen und Aluminiumfolie
verschlossen. Anschließend werden die Erlenmeyerkolben im Kulturraum bei +23 °C
gelagert, bis das Pilzmycel den Agar gleichmäßig überwachsen hat.
Tabelle 3-21:Nährmedien und Pilze für den Holzabbauversuch mit 14C-U markierten MDF-Platten
Nährmedium /
Pilz
Trametes
versicolor
Trametes
villosa
Coniophora
puteana
Trichoderma
viridae
Chaetomium
globosum
BSM 8 Kolben - - - -
MYA - - 8 Kolben - -
Raulin - - - 8 Kolben -
MPA - 6 Kolben - - 6 Kolben
Summe 8 Kolben 6 Kolben 8 Kolben 8 Kolben 6 Kolben
Da die vollständige Herstellung von radioaktiv markierten Mitteldichten Faserplatten aus
sicherheitstechnischen Gründen im Technikum des NHN nicht möglich ist, werden die MDF-
112 Material & Methoden
Platten für die Holzabbauversuche mit 14C-U markiertem Holz zum größten Teil im Labor für
Radioisotope (LARI) des Instituts für Forstbotanik der Universität Göttingen angefertigt.
Die inaktiven Fasern werden zunächst auf der Pilot-MDF-Anlage des NHN mit UF-Harz
(Kontrollen) bzw. der Weizenprotein-Suspension beleimt, danach bei geringen Temperaturen
in der Rohrtrocknerleitung getrocknet und anschließend im LARI in eine zuvor aus
Aluminium angefertigte Streuform mit den Maßen 25 mm x 50 mm gestreut. Dabei wird die
insgesamt benötigte Menge an Fasermaterial für eine 10 mm starke Platte mit einer
Sollrohdichte von 800 kg / m³ (siehe Kapitel 8.2) in vier gleichmäßige Mengenanteile
aufgeteilt. Die benötigte Menge an 14C-U markiertem Holz wird für jede herzustellende Probe
zuvor ermittelt damit die genaue Aktivität jeder einzelnen Faserplatte bekannt ist. Die
gesamte Menge an 14C-U markiertem Material wird auf drei gleichmäßige Schichten
aufgeteilt. Auf diese Weise werden eine gleichmäßige Verteilung und ein gleichmäßiger
Abbau des radioaktiven Materials in den Faserplatten garantiert. Dies ist wichtig für die
spätere Auswertung der Ergebnisse, da nur der Abbau von 14C-U markiertem Holz gemessen
werden kann. Um von Anfang an Messergebnisse zu erhalten, muss garantiert sein, dass die
Pilze die ganze Versuchszeit über aktives Material abbauen können und nicht erst nach einer
langen Durchwachsphase.
Die gestreuten Mitteldichten Faserplatten werden im LARI mit einer Kaltpresse auf eine
Dicke von ca. 14 mm vorverdichtet. Abschließend werden die in Aluminiumfolie
eingewickelten Faserplatten mit 10 mm Distanzleisten bei 5,7 N/cm² und 190 °C für 4
Minuten heiß verpresst. Die dicke Aluminiumfolie wird verwendet, um ein mögliches
Entweichen von radioaktivem Wasserdampf zu verhindern. Da die beleimten Fasern zuvor
getrocknet wurden, ist eine Dampfentwicklung beim Heißpressen optisch nicht feststellbar.
Die Dampfentwicklung beim Heißpressvorgang wurde vor Versuchsbeginn mit inaktivem
Material überprüft. Dabei lag die beleimte Feuchte der Fasern bei ca. 9,0 %. Da bei der 14C-
Messmethode nur der Abbau des radioaktiven Materials nachgewiesen werden kann, werden
von allen 14C-U markierten MDF-Proben auch die Frisch- und Trockengewichte ermittelt.
Nach dem Verpressen wird das Trockengewicht der hergestellten Faserplatten im LARI
bestimmt. Dazu werden die MDF-Platten für 24 h bei 105 °C (± 1 °C) im Trockenschrank
gelagert. Nach Ablauf der 24 h werden die Proben im Exsikkator deponiert und anschließend
wird das Trockengewicht der Platten mit Hilfe einer Tischwaage bestimmt. Dadurch besteht
die Möglichkeit, die nach der 14C-Messmethode ermittelten Abbauraten mit den
Masseverlusten der MDF-Proben vergleichen zu können.
Material & Methoden 113
Tabelle 3-22: Mit 14C-U-markiertem Holz und UF-Harz hergestellte MDF-Proben
Bezeichnung der MDF-Probe
Einwaage 14C-U markierte
Buchenspäne (mg)
Aktivität (Bq)
Lutrogewicht der MDF-Probe
(g)
Trockengewicht der MDF-Probe
(g)
UF I 44,6 6856,878 11,356 10,963 UF II 45,4 6979,872 11,786 11,402 UF III 43,1 6626,267 11,711 11,357 UF IV 46,0 7072,117 11,782 11,424 UF V 47,6 7318,103 11,760 11,392 UF VI 46,4 7133,613 11,826 11,445
Es werden insgesamt sechs Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundene 14C-U markierte MDF-
Proben (UF I bis UF VI) mit einer vergleichbaren Aktivität, gemessen in Bq, hergestellt (vgl.
Tabelle 3-22). Die Proben UF I bis UF VI werden auf sechs Kolben verteilt, von denen immer
zwei Kolben mit den gleichen Holzzerstörenden Pilzen beimpft und den gleichen Nährmedien
befüllt sind, damit Doppelbestimmungen bzgl. der Holzabbauraten durchgeführt werden
können. Dabei werden die Nährmedien BSM, MYA sowie Raulin und die Pilzarten Trametes
versicolor, Coniophora puteana und Trichoderma viridae verwendet (vgl. dazu auch Tabelle
3-23).
Tabelle 3-23: Versuchsaufbau für die mit 14C-U-markiertem Holz und UF-Harz hergestellten MDF-Platten
Kolben Nr. MDF-Probe Nährmedium Pilzart
1 UF I
2 UF II BSM Trametes versicolor
3 UF III
4 UF IV MYA Coniophora puteana
5 UF V
6 UF VI Raulin Trichoderma viridae
Parallel zu den sechs UF- Harz gebundenen 14C-U markierten MDF-Proben werden ebenfalls
sechs 14C-U markierte Mitteldichte Faserplatten angefertigt (WP I bis WP VI), die
ausschließlich mit der entwickelten Weizenprotein-Suspension gebunden sind. Zusätzlichen
werden noch vier weitere Weizenprotein gebundene MDF-Platten angefertigt (WP VII bis
WP X), da bei diesen Proben zusätzlich die Pilzarten Trametes villosa und Chaetomium
globosum verwendet werden. Auch bei diesem Proben wird darauf geachtet, dass in den
MDF-Proben vergleichbare Aktivitäten (Bq) vorherrschen (vgl. Tabelle 3-24).
114 Material & Methoden
Tabelle 3-24: Mit 14C-U-markiertem Holz und Weizenprotein hergestellte MDF-Proben
Bezeichnung der MDF-Probe
Einwaage 14C-U markierte
Buchenspäne (mg)
Aktivität (Bq)
Lutrogewicht der MDF-Probe
(g)
Trockengewicht der MDF-Probe
(g)
WP I 46,8 7195,110 11,36 10,96 WP II 48,6 7471,845 11,79 11,40 WP III 48,5 7456,472 11,64 11,29 WP IV 45,4 6979,872 11,71 11,36 WP V 46,3 7118,240 11,78 11,42 WP VI 47,5 7302,730 11,76 11,39 WP VII 58,7 9024,637 11,04 10,80 WP VIII 57,4 8824,772 11,42 11,20 WP IX 60,0 9224,500 11,15 10,96 WP X 57,5 8840,147 11,20 11,00
Die zehn mit Weizenprotein und 14C-U markiertem Material angefertigten MDF-Proben (WP
I bis WP X) werden gleichmäßig auf die Nährmedien BSM, MYA, Raulin und MPA verteilt,
so das auch hier die Ermittlung der Holzzerstörung anhand von Doppelbestimmungen
erfolgen kann. Die Nährmedien sind wahlweise mit den Pilzarten Trametes versicolor,
Coniophora puteana, Trichoderma viridae, Trametes villosa bzw. Chaetomium globosum
beimpft (vgl. Tabelle 3-25).
Tabelle 3-25: Versuchsaufbau für die mit 14C-U-markierten Buchenspänen und WP hergestellten MDF-Platten
Kolben Nr. MDF-Probe Nährmedium Pilzart
1 WP I
2 WP II BSM Trametes versicolor
3 WP III
4 WP IV MYA Coniophora puteana
5 WP V
6 WP VI Raulin Trichoderma viridae
7 WP VII
8 WP VIII MPA Trametes villosa
9 WP IX
10 WP X MPA Chaetomium globosum
Um den alleinigen Abbau von Cellulose in den MDF-Platten durch die Holzzerstörenden
Pilze zu überprüfen, werden wie in Tabelle 3-26 dargestellt, MDF-Proben mit rein 14C-U-
Material & Methoden 115
Cellulose markierten Buchenspänen hergestellt (CWP I bis CWP X). Dadurch wird nur die
Aktivität der durch die Pilze zersetzten Cellulose nach der 14C-Messmethode ermittelt.
Wichtig dabei sind eine möglichst gleichmäßige Verteilung wie auch eine möglichst
homogene Ausgangsaktivität (Bq) des 14C-U-Cellulose markierten Materials.
Tabelle 3-26: Mit 14C-U-Cellulose-markiertem Material und Weizenprotein hergestellte MDF-Proben
Bezeichnung der MDF-Probe
Einwaage 14C-U-Cellulose markierte
Buchenspäne (mg)
Aktivität (Bq)
Lutrogewicht der MDF-Probe
(g)
Trockengewicht der MDF-Probe
(g)
CWP I 47,3 7305,092 11,33 11,28 CWP II 41,9 6471,107 11,14 11,10 CWP III 44,2 6826,322 11,30 11,26 CWP IV 46,3 7150,650 11,30 11,25 CWP V 52,3 8077,300 11,83 10,78 CWP VI 45,0 6949,875 11,33 11,28 CWP VII 49,6 7660,307 11,12 11,08 CWP VIII 46,6 7196,982 11,36 11,32 CWP IX 51,1 7891,970 11,51 11,47 CWP X 47,3 7273,558 11,40 11,34
Tabelle 3-27: Mit 14C-U-Cellulose markierte und mit WP hergestellte MDF-Platten
Kolben Nr. MDF-Probe Nährmedium Pilzart
1 CWP I
2 CWP II BSM Trametes versicolor
3 CWP III
4 CWP IV MYA Coniophora puteana
5 CWP V
6 CWP VI Raulin Trichoderma viridae
7 CWP VII
8 CWP VIII MPA Trametes villosa
9 CWP IX
10 CWP X MPA Chaetomium globosum
Die zehn mit 14C-U-Cellulose markiertem Holz hergestellten und mit Weizenprotein
gebundenen MDF-Proben CWP I bis CWP X werden auf die mit den Nährmedien BSM,
MYA, Raulin und MPA gefüllten Kolben verteilt. Dabei werden immer zwei parallele Kolben
hinsichtlich ihres Nährmediums und der verwendeten Pilzart angesetzt, damit die
116 Material & Methoden
Holzzerstörung in Doppelbestimmungen ermittelt werden kann (vgl. Tabelle 3-27). Um neben
dem alleinigen Abbau der Cellulose auch den Zersetzungsgrad des Lignins durch die
verwendeten Pilzarten zu überprüfen, werden Weizenprotein gebundene MDF-Proben
hergestellt, in die 14C-U-Lingin markierte Buchenspäne verteilt werden. Die für diesen
Versuch angefertigten MDF-Platten mit den eingewogenen Aktivitäten (Bq) sind in Tabelle
3-28 aufgeführt. Dabei wird, wie auch bei den bereits beschriebenen Versuchen, sowohl auf
eine möglichst gleichmäßige Verteilung als auch auf eine ähnliche Ausgangsaktivität des 14C-
U-Lignin markierten Materials geachtet um eine spätere Vergleichbarkeit der Ergebnisse
sicher zu stellen.
Tabelle 3-28: Mit 14C-U-Lignin-markiertem Material und Weizenprotein hergestellte MDF-Proben
Bezeichnung der MDF-Probe
Einwaage 14C-U-Lignin markierte
Buchenspäne (mg)
Aktivität (Bq)
Lutrogewicht der MDF-Probe
(g)
Trockengewicht der MDF-Probe
(g)
LWP I 42,4 6090,760 11,68 11,14 LWP II 42,8 6148,220 11,81 11,26 LWP III 44,0 6320,600 12,42 11,80 LWP IV 40,9 5875,285 11,84 11,33 LWP V 41,3 5932,745 11,61 11,07 LWP VI 40,9 5875,285 11,99 11,57 LWP VII 41,3 5932,785 12,17 11,66 LWP VIII 43,7 6277,505 12,06 11,52 LWP IX 43,1 5291,315 12,12 11,53 LWP X 42,7 6133,855 12,84 11,35
Tabelle 3-29: Mit 14C-U-Lignin markiertem Material und WP hergestellte MDF-Platten
Kolben Nr. MDF-Probe Nährmedium Pilzart
1 LWP I
2 LWP II BSM Trametes versicolor
3 LWP III
4 LWP IV MPA Trametes villosa
5 LWP V
6 LWP VI MYA Coniophora puteana
7 LWP VII
8 LWP VIII Raulin Trichoderma viridae
9 LWP IX
10 LWP X MPA Chaetomium globosum
Material & Methoden 117
Die mit 14C-U-Lignin hergestellten MDF-Proben LWP I bis LWP X werden auf die mit den
Nährmedien BSM, MPA, MYA und Raulin befüllten Kolben gleichmäßig verteilt. Die
Kolben wurden zuvor je nach Nährmedium mit den Pilzarten Trametes versicolor, Trametes
villosa, Coniophora puteana, Trichoderma viridae bzw. Chaetomium globosum beimpft.
Dabei werden zur Anfertigung von Doppelbestimmungen jeweils zwei parallele Kolben
angesetzt (vgl. Tabelle 3-29). Alle für diesen Holzabbauversuch hergestellten 14C-MDF-
Platten (vgl. Tabelle 3-22 dazu bis Tabelle 3-29) werden nach der
Trockengewichtsbestimmung einzeln in Aluminiumfolie verpackt und beschriftet. Danach
werden sie bei 105 °C (± 1 °C) für 72 h im Trockenschrank sterilisiert. Nach der
Sterilisationszeit kühlen die MDF-Platten aus und werden, sobald sie die Raumtemperatur
angenommen haben, unter sterilen Bedingungen auf die vollständig überwachsenen
Nährmedien in den Erlenmeyerkolben gelegt. Die Erlenmeyerkolben werden dann mit zuvor
autoklavierten Gummistopfen verschlossen.
In den Gummistopfen ist ein massives Glasröhrchen eingelassen an dessen Ende sich eine
kleine Auffangschale befinde. Die Auffangschale im Erlenmeyerkolben wird mit 2 ml 1 M
NaOH gefüllt. Zum Einfüllen der NaOH-Lauge wird eine 1000 µl Pipette mit sterilen
Pipettenspitzen verwendet. Das CO2, das von den Pilzen ausgeschieden wird, enthält das
radioaktive 14C aus den MDF-Platten und wird in der NaOH-Lauge aufgefangen. Die NaOH-
Lauge wird in regelmäßigen Abständen, zu Versuchsanfang zwei Mal wöchentlich und nach
28 Tagen ein Mal pro Woche, unter sterilen Bedingungen gewechselt. Die NaOH-Lauge wird
mit Hilfe einer 1000 µl Pipette aus den Auffangschalen entnommen und gleichmäßig auf zwei
SZINTI-Fläschchen pro Probe verteilt. In alle SZINTI-Fläschchen werden 200 µl 1 M NaOH
und 10 ml LUMASAFE+, die Chemikalie mit der anschließend die Aktivität der entnommenen
Lauge gemessen wird, gefüllt. Die Zugabe von NaOH ist notwendig, da das LUMASAFE+ sauer
reagiert und zuvor mit etwas Lauge neutralisiert werden muss. Die Menge von 2 ml NaOH
muss auf zwei Fläschchen aufgeteilt werden, um bei der späteren Messung genaue Ergebnisse
zu bekommen. Die Ergebnisse einer Probe werden dann nach der Messung addiert. Die
Messung der Aktivität wird mit Hilfe eines computergesteuerten Liquid Scintillation Counter
(Flüssigszintillationszähler) vom Typ Tricarb 2250 der Fa. PACKARD durchgeführt. Dazu
werden die Proben auf Zimmertemperatur heruntergekühlt und anschließend für 20 Minuten
gemessen. Anhand der Ausgangsaktivität der Mitteldichten Faserplatten und der in der Lauge
gemessenen Aktivität kann der Holzabbau durch die Weiß-, Braun- und Moderfäulepilze
ermittelt werden.
118 Material & Methoden
3.4.3 Kompostierungsversuch an 14C markierten Mitteldichten Faserplatten
Analog zu den beschriebenen Abbauversuchen (vgl. Kapitel 3.4.1 und 3.4.2) an 14C-U
markierten Weizenprotein gebundenen MDF-Platten werden Kompostierungsversuche mit
diesen Werkstoffen durchgeführt. Ziel dieser Versuche ist es, neben einer mykologischen
Abbaumöglichkeit weitere realisierbare Entsorgungsvarianten für diese Werkstoffe zu
erforschen. Dazu werden Mitteldichte Faserplatten unter Verwendung von 14C-U-markierten
Holzspänen angefertigt. Die Herstellung dieser Faserplatten erfolgt analog zu den in Kapitel
3.4.2 beschriebenen Mitteldichten Faserplatten unter Verwendung der im Rahmen dieses
Forschungsvorhabens entwickelten Weizenprotein-Suspension als Bindemittel, inaktivem
Fasermaterial der Fa. STEICO und 14C-U-markierten Buchenspänen. Der Beleimungsgrad mit
dem naturnahen Bindemittel auf Weizenproteinbasis beträgt 15 % bezogen auf atro inaktives
Fasermaterial. Das inaktive Fasermaterial wird nach der Beleimung im Mischer in der
Rohrtrocknerleitung der Pilot-MDF-Anlage auf eine Feuchte von 10 % getrocknet. Die
Zielrohdichten der jeweils 25 mm breiten und 50 mm langen Faserplatten betragen 800 kg/m³.
Alle Platten werden 4 Minuten lang bei 190 °C und einem Druck von 5,7 N/cm² auf eine
Endstärke von 10 mm verpresst. Die Bezeichnung der Proben sowie die für die Anfertigung
der Weizenprotein gebundenen MDF-Platten Mengen an 14C-U-markierten Buchenspänen
sind in Tabelle 3-30 aufgeführt.
Tabelle 3-30: Für den Kompostierungsversuch hergestellte 14C-U-markierte MDF-Platten
Bezeichnung
der MDF-Probe
Einwaage 14C-
U-Buchespäne
(mg)
Aktivität der
Buchenspäne
(Bq)
Frischgewicht
der MDF-
Platten (g)
Trockengewicht
der MDF-
Platten (g)
N 44,7 6872,253 11,248 10,874
L 46,4 7133,613 11,422 10,918
B 46,4 7133,613 11,342 10,859
R 46,5 7148,988 11,451 10,932
Nach dem Heißpressen und Klimatisieren werden zunächst die Frischgewichte der
Mitteldichten Faserplatten auf einer Tischwaage ermittelt. Anschließend werden die MDF-
Platten für 24 h bei 103 °C (± 1°C) im Trockenschrank gelagert. Nach Ablauf der 24 h
werden die MDF-Platten vorerst zum Abkühlen in einem Exsikkator gelagert und
anschließend die Trockengewichte der Platten mit einer Tischwaage ermittelt. Nach der
Ermittlung der Trockengewichte werden die MDF-Proben in Aluminiumfolie gewickelt und
Material & Methoden 119
für drei Tage bei 103 °C (± 1 °C) im Trockenschrank sterilisiert. Zur Kompostierung werden
drei handelsübliche Erden eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Mineralzusammensetzung
unterscheiden. Dabei handelt es sich um Nadelholz- (N), Laubholz-(L) und Blumenerde (B).
Die Bezeichnungen dieser unterschiedlichen Erden beschreiben nicht das Ausgangssubstrat
aus dem sie entstanden sind, sondern die Pflanzengruppen, für die diese Erden optimiert sind.
Die Kompostierungsversuche werden in Exsikkatoren mit einem nutzbaren Volumen von 1,5
Litern durchgeführt. Die Exsikkatoren müssen über einen Eingangs- und Ausgangsschliff
verfügen. Die Kompostierungsgrade der einzelnen Substrate werden über einen Zeitraum von
300 Tagen ermittelt. In jedem Exsikkator wird pro Substratvariante (N, L, und B) mittig eine
Protein gebundene, 14C-U-markierte Mitteldichte Faserplatte ca. vier cm tief im Substrat
vergraben. Als „Blindversuch“ zu den durchgeführten Kompostierungsversuchen mit
unterschiedlichen Erden wird eine Weizenprotein gebundene, 14C-U-markierte MDF-Platte in
einem Exsikkator gelagert, ohne Zugabe von Erde (R). Die Füllhöhe mit Erde beträgt bei
allen verwendeten Exsikkatoren exakt acht cm. Weitere Parameter dieses Versuches sind in
Tabelle 3-31 aufgeführt.
Tabelle 3-31: Versuchsaufbau des Kompostierungsversuches an 14C-U-markierten MDF-Platten
Substratvariante Nummer des
Exsikkators
Wassergehalt im
Substrat (%)
Bezeichnung der
MDF-Probe
Nadelholzsubstrat 1 50,61 N
Laubholzsubstrat 2 50,46 L
Blumenerde 3 59,97 B
Kein Substrat 4 - R
Die Messung des Kompostierungsgrades erfolgt über die bei der Kompostierung durch
Mikroorganismen entstehende CO2-Absorption. Das durch die Mikroorganismen verbrauchte
und dadurch 14C enthaltende CO2 wird in Vials, die mit 10 %iger NaOH gefüllt sind,
aufgefangen. Die Messung und das Wechseln der Natronlauge erfolgt analog zu der in Kapitel
3.4.2 beschriebenen Methode. Parallel zur Bestimmung der Kompostierungsrate über das
verbrauchte 14C-U wird mit Hilfe der Trockengewichte der einzelnen MDF-Platten vor und
nach dem Versuch der Kompostierungsgrad quantitativ bestimmt. Die Ergebnisse der
Kompostierungsversuche sind in Kapitel 4.3.3 graphisch dargestellt und erläutert.
120 Ergebnisse & Diskussion
4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Analytische Untersuchungen
In Kapitel 4.1.1 bis Kapitel 4.1.3 sind die Ergebnisse der im Rahmen dieser Dissertation
durchgeführten analytischen Untersuchungen aufgeführt. Dabei sind in Kapitel 4.1.1 ff. die
Ergebnisse bzgl. der Zusammensetzung des Fasermaterials sowie der ermittelten Pentosan-
und Ligningehalte im verwendeten Faserstoff dargestellt. In Kapitel 4.1.2 sind die Ergebnisse
der morphologischen Untersuchungen am Fasermaterial in Form von REM-Aufnahmen
dargestellt. In den Kapiteln 4.1.3 ff. sind die Analytikergebnisse der in diesem
Forschungsvorhaben verwendeten konventionellen und natürlichen Bindemittel sowie den
daraus hergestellten Mischkondensaten aufgeführt. Dabei handelt es sich um die Ermittlung
der Hauptbestandteile in den Bindemitteln sowie den Viskositäten der verwendeten
Bindemittel und Leimflotten.
4.1.1 Ergebnisse der analytischen Untersuchungen des Faserstoffes
4.1.1.1 Siebkennlinien nach WIHS 74
In Tabelle 4-1 sind die Ergebnisse der Siebfraktionierung nach WIHS 74 des STEICO
Kiefernindustriefaserstoffes aufgeführt. Dabei ist ersichtlich, dass bei den Siebdurchmessern
von 4 mm bis 0,630 mm keine hohen Rückstände aufgetreten sind. Ab einer
Durchgangsfraktion von 0,630 mm, verglichen mit der nachfolgenden Durchgangsfraktion
von 0,500 mm, ist jedoch eine deutliche prozentuale Zunahme in der Summenhäufigkeit des
Rückstandes festzustellen. Bei einem Siebdurchmesser von 0,63 mm wurden 89,54 % der
eingewogenen Menge des Fasermaterials durchgesiebt, bei einer Maschenweite von 0,500
mm konnten lediglich noch 71,39 % der Einwaage durchgesiebt werden. Diese Differenz von
18,15 % zwischen den beiden Siebdurchmessern D=0,630 mm und D=0,500 mm ist bereits
ein deutlicher Unterschied, der bei der Siebfraktionierung des STEICO Industriefaserstoffes
nach WIHSS 74 festzustellen war. Darüber hinaus wurde eine deutliche Differenz zwischen
den Durchgangsfraktionen D=0,315 mm und D=0,100 mm ermittelt. Bei einem
Siebdurchmesser von 0,315 mm konnten 63,46 % der eingewogenen Menge durchgesiebt
werden, wo hingegen bei einem Durchmesser von 0,100 mm nur noch 43,00 % der Einwaage
durch den Siebeinsatz fielen. Daraus ergibt sich eine prozentuale Differenz von 20,46 %. Eine
weitere Abnahme der Summenhäufigkeit des durchgesiebten Fasermaterials ist zwischen den
Ergebnisse & Diskussion 121
Fraktionen 0,100 mm und 0,001 mm ersichtlich. Hierbei handelt es sich um Feinstaub, der im
Fasermaterial unerwünscht ist, da er bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten
einerseits zur Staubbildung führt und sich andererseits in den Platten nicht positiv auf die
mechanisch-technologischen Eigenschaften der Werkstoffe auswirkt. Fasermaterial mit einem
Durchmesser von > 0,100 mm wird allgemein auch als „Leimfresser“ bezeichnet, da dieser
Faserstaub prozentual verglichen mit den Oberflächen herkömmlicher Fasern sehr viel Leim
aufnimmt, jedoch bei der Verarbeitung in Faserplatten keine positiven mechanisch-
technologischen Eigenschaften bewirkt.
Tabelle 4-1: Siebkennlinien des STEICO-Faserstoffes nach WIHS 74
Masse der Rückstände (g) Rückstände der Fraktionierung Rückstands-
fraktion 1 2 3 in g in %
Summen-häufigkeit des
Rückstandes (%)
Durchgangs-fraktion D
(mm)
R 4,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 4,000 R 2,0 0,09 0,08 0,07 0,24 0,80 100,00 2,000 R 1,6 0,17 0,21 0,28 0,66 2,20 99,20 1,600 R 1,0 0,62 0,88 0,74 2,24 7,46 97,00 1,000 R 0,63 1,58 1,95 1,92 5,45 18,15 89,54 0,630 R 0,5 0,94 0,57 0,87 2,38 7,93 71,39 0,500 R 0,315 2,20 2,18 1,76 6,14 20,45 63,46 0,315 R 0,1 2,68 2,24 2,57 7,49 24,95 43,00 0,100 R 0,001 1,76 1,90 1,76 5,42 18,05 18,05 0,000
Die Ergebnisse der Siebfraktionierung nach WIHS 74 des STEICO Kiefernfaserstoffes aus
Tabelle 4-1 sind zur besseren Verdeutlichung in Abbildung 4-1 nochmals graphisch
dargestellt. Dort sind die im vorhergehenden Text beschriebenen Differenzen zwischen den
unterschiedlichen Siebfraktionen deutlich ersichtlich.
Charakteristisch für eine Siebfraktionierung ist, dass die prozentuale Menge an
durchgesiebtem Material, bezogen auf die anfangs eingewogene Menge an Fasern mit sich
verringerndem Siebdurchmesser abfällt. Wichtig bei der Beurteilung eines Faserstoffes sind
die Unterschiede zwischen den einzelnen Siebdurchmessern.
Daraus ist zu schließen, dass ein Großteil des STEICO Fasermaterials aus einem Durchmesser
von ≥ 0,630 mm besteht. Ein weiterer Großteil des Fasermaterials besteht aus Fasern mit
einem Durchmesser von ≤ 0,500 mm. Den letzten größeren Anteil im Faserstoff bilden Fasern
mit einem Durchmesser von ≤ 0,500 mm und ≥ 0,315 mm. Die Tatsache, dass die Menge des
durchsiebbaren Fasermaterials ab einer Siebweite von ≤ 0,100 mm deutlich abnimmt, ist ein
Anzeichen dafür, dass im Faserstoff nur ein sehr geringer Anteil von Staub vorhanden ist.
122 Ergebnisse & Diskussion
Aufgrund der erzielten Ergebnisse lässt sich aussagen, dass es sich bei dem nach dem
ASPLUND-Verfahren hergestellten STEICO Kiefernindustriefaserstoff um einen morphologisch
definierten und homogenen, d.h. sehr gut aufgeschlossenen Faserstoff handelt, dessen
Verwendung bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten nicht zu morphologisch
bedingten Struktur- und damit verbundenen Qualitätsschwankungen bei den Werkstoffen
führen wird.
Abbildung 4-1: Graphische Darstellung der Siebkennlinien des STEICO-Faserstoffes
4.1.1.2 RAPID-KÖTHEN-Blattbildner
Alle aus dem Kiefernindustriefaserstoff der Fa. STEICO hergestellten RAPID-KÖTHEN-
Blattbildner weisen eine sehr einheitliche Oberfläche auf, was ebenfalls bei der Betrachtung
der abgebildeten Nahaufnahme eines dieser Blattbildner (vgl. Abbildung 4-2) zu erkennen ist.
Der nach dem ASPLUND-Verfahren hergestellte Kiefernindustriefaserstoff der Fa. STEICO ist
charakterisiert durch eine definierte Morphologie, wodurch ein definiertes
Strukturbildungsverhalten bei den im Rahmen dieser Dissertation hergestellten Mitteldichten
Faserplatten gewährleistet ist. Aufgrund des gleichmäßigen Strukturbildungsverhaltens dieses
Faserstoffes bei der Herstellung der RAPID-KÖTHEN-Blattbildner ist bei konstanten
Herstellungsparametern sowie optimalen Maschineneinstellungen nur mit sehr geringen
Siebkennlinie für Fasermaterial der Fa. Steico
100,00
89,54
71,39
63,46
43,00
18,05
97,00 100,0099,20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Durchgangsfraktion D (m m )
Sum
men
häuf
igke
it de
s R
ücks
tand
es (%
)
Ergebnisse & Diskussion 123
Rohdichteschwankungen, bedingt durch das verwendete Fasermaterial, bei den hergestellten
MDF-Platten zu rechnen.
Abbildung 4-2: RAPID-KÖTHEN-Blattbildner aus STEICO-Faserstoff, Nahaufnahme
Auch die visuelle Beurteilung des Faserstoffes anhand der RAPID-KÖTHEN-Blattbildner
bestätigt somit die bereits in Kapitel 4.1.1.1 dargestellten und erläuterten positiven Ergebnisse
der Siebkennlinien nach WIHS 74.
4.1.1.3 Hemicellulosegehalt
Die Ergebnisse der Hemicellulosegehaltsbestimmungen des STEICO-Faserstoffes sind in
Tabelle 4-2 aufgeführt. Da die Hemicellulose im Nadelholz nur maximal zu 50 % aus
Pentosen (vgl. dazu auch Kapitel 2.1.2) und der Rest der Hemicellulose aus Hexosen gebildet
wird, müssen die in Tabelle 4-2 angegebenen und in Abbildung 4-3 graphisch dargestellten
Pentosangehalte verdoppelt werden, um den tatsächlichen Hemicellulosegehalt im STEICO-
Industriefaserstoff zu ermitteln. Der in dieser Versuchsreihe erzielte durchschnittliche
Pentosangehalt von 4,60 % würde verdoppelt einen Hemicellulosegehalt von 9,2 % im
Fasermaterial ergeben. Dieser Wert ist jedoch sowohl für Laub- als auch für Nadelhölzer sehr
gering und entspricht nicht dem Hemicellulosegehalt im gewachsenen Holz, der nach
LOHMANN (1998) bei 24 % bis 40 % liegt (vgl. Tabelle 2-3).
124 Ergebnisse & Diskussion
Tabelle 4-2: Ergebnisse der Pentosanbestimmung des STEICO-Faserstoffes
Nr. der
Probe
Blindwert Thiosulfat
(ml)
Thiosulfat der Faserprobe
(ml)
Feuchte des Faserstoffes
(%)
Eingewogene Menge des
Faserstoffes lutro (g)
Prozentualer Anteil des
Pentosans im Fasermaterial (%)
1 17,30 7,52 11,5 2,230 4,599 2 17,30 7,51 11,3 2,226 4,604 3 17,30 7,52 11,6 2,232 4,599 4 17,30 7,48 11,2 2,224 4,618 5 17,30 7,45 11,8 2,236 4,632 6 17,30 7,49 11,6 2,232 4,613
Nach den Untersuchungen von FENGEL (1966) über das Verhalten von Hemicellulosen in
unbehandeltem und thermisch behandeltem Nadelholz, ist mit einem Absinken des Pentosan-
und damit auch des Hemicellulosegehaltes erst nach einer thermischen Behandlung des
Holzes bei Temperaturen von 160 °C bis 180 °C zu rechnen. Diese Voraussetzung trifft auch
auf Faserstoffe zu, die nach dem Defibrator-Verfahren hergestellt werden (siehe dazu auch
Kapitel 2.3.2). Auf Grund der Tatsache, dass der in dieser Promotion verwendete Faserstoff
der Fa. STEICO nach dem Defibrator-Verfahren hergestellt wurde, lässt sich der extreme
Pentosanverlust gegenüber nativem Kiefernholz mit dem Verfahren der Faserstoffherstellung
begründen.
Pentosangehalte im Steico-Faserstoff
0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,0
1 2 3 4 5 6
Probennummer
Pent
osan
geha
lt (%
)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0Ei
ngew
ogen
e M
enge
Fa
sers
toff
(g)
Prozentualer Anteil des Pentosans im Holz (%) Eingewogene Menge des Faserstoffes (g)
Abbildung 4-3: Graphische Darstellung der Pentosangehalte im STEICO-Industriefaserstoff
Ergebnisse & Diskussion 125
4.1.1.4 Ligningehalt
In Tabelle 4-3 sind die Ergebnisse der Ligninbestimmungen des in dieser Promotion
verwendeten Kiefern-Industriefaserstoffes der Fa. STEICO aufgeführt. Die relativ hohen
Ligninwerte zeigen, dass es sich um einen Faserstoff handelt, der definitiv aus Nadelholz
hergestellt wurde.
Tabelle 4-3: Ergebnisse der Ligninbestimmung des STEICO-Faserstoffes nach HALSE (1940)
Nr. der
Probe
Glastiegel alleine
getrocknet (g)
Glastiegel mit Überschuss
getrocknet (g)
Lignin (g)
Prozentualer Ligninanteil im Faserstoff atro
(%)
Feuchte der Fasern
(%)
Eingewogene Menge lutro (g)
1 48,458 48,735 0,277 27,70 11,2 1,112 2 51,694 51,973 0,279 27,90 12,1 1,121 3 48,266 48,542 0,276 27,60 12,2 1,122 4 48,587 48,870 0,283 28,30 11,6 1,116 5 48,346 48,622 0,276 27,60 12,1 1,121 6 50,297 50,576 0,281 28,10 12,1 1,121
Die gemessenen Werte von 27,6 % bis 28,3 % liegen in den von LOHMANN (1998) ermittelten
Bereichen und erreichen mit einem durchschnittlichen Ligningehalt von 27,95 %, fast den
maximal angegebenen Ligningehalt von 30 % für einheimische Nadelholzarten. Die Verluste
gegenüber dem Ligningehalt von nativem Kiefernholz sind sehr gering. Diese Abweichungen
lassen sich mit der Annahme erklären, dass der vorliegende Faserstoff nicht nur aus
Nadelholz, sondern zu einer geringen Menge auch aus dem weniger Lignin enthalten
Laubholz bestehen könnte. Die zugegebene Menge an Laubholz würde in diesem Fall
maximal 5 % betragen. Somit würden sich rein rechnerisch Ligningehalte von 25 % – 27 %
ergeben, wie sich beim STEICO-Faserstoff gemessen wurden (vgl. dazu auch Abbildung 4-4).
Eine andere Begründung für einen eventuellen Ligninverlust ist die Erkenntnis, dass bei der
Herstellung von Holzfasermaterial nach dem Defibrator-Verfahren (vgl. dazu auch Kapitel
1.1 und 2.3.2) die Glasumwandlungstemperatur des Lignins, welche bei ungefähr 123 °C
liegt, infolge der deutlich höheren Aufschlusstemperaturen von 160 °C bis 180 °C weit
überschritten wird (KHARAZIPOUR, 1996). Das Mittellamellenlignin geht dabei in einen
plastischen Zustand über. Aufgrund dieser Tatsachen ist davon auszugehen, dass der
ursprünglich im Holz vorhandene Ligningehalt etwas höher war, als der in diesen
Untersuchungen ermittelte Ligningehalt.
126 Ergebnisse & Diskussion
Ligningehalte des Steico-Faserstoffes
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6
Probennummer
Lign
inge
halt
(%)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Eing
ewog
ene
Prob
enm
enge
(g
)
Prozentualer Ligninanteil im Faserstoff atro (%) Eingewogene Menge des Faserstoffes (g)
Abbildung 4-4: Graphische Darstellung der ermittelten Ligningehalte im STEICO-Faserstoff
4.1.2 Ergebnisse der morphologischen Untersuchungen des Faserstoffes
Zur morphologischen Untersuchung des STEICO-Industriefaserstoffes aus Kiefernmaterial
werden sowohl Aufnahmen des nativen Faserstoffes (vgl. Abbildung 4-5), wie auch des mit
Harnstoff-Formaldehyd-Harz bzw. Weizenprotein beleimten Fasermaterials (vgl. Abbildung
4-6 und Abbildung 4-7) mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) angefertigt.
Bei Betrachtung des nativen Faserstoffes in Abbildung 4-5 sind die Folgen der thermischen
Behandlung bei der Herstellung des Fasermaterials zu erkennen. Trotz der relativ milden
Aufschlussbedingungen bei der Herstellung von Industriefaserstoff nach der ASPLUND-
Methode (vgl. Kapitel 2.3.2) ist auf dem Bild zu erkennen, dass die Temperaturen bei der
thermischen Behandlung über der Glasübergangstemperatur des Lignins (123 °C) lagen.
Vorwiegend das in der Mittellamelle enthaltene Lignin ist bei diesem Herstellungsschritt
plastifiziert worden, um die Fasern mit einem möglichst geringen Energieaufwand trennen zu
können. Das nach dem Erkühlen erstarrte Mittellamellenlignin liegt nach dem Aufschluss
noch als inaktive Kruste auf der Faseroberfläche vor. Die ebenfalls im Holz enthaltenen
Cellulosefibrillen sind in den unter der Ligninkruste liegenden Cellulosekomplex
eingebunden und können für mögliche Bindungen, beispielsweise bei der Herstellung von
Ergebnisse & Diskussion 127
Mitteldichten Faserplatten aus diesem Fasermaterial nicht mehr genutzt werden
(KHARAZIPOUR, 1996).
Abbildung 4-5: REM-Aufnahme des nativen Industriefaserstoffes der Fa. STEICO, 710-fache Vergrößerung
Bei den in Abbildung 4-6 dargestellten Aufnahmen des STEICO-Industriefaserstoffes, der mit
Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF auf der Pilot-MDF-Anlage beleimt und anschließend in
der Rohrtrocknerleitung unter milden Bedingungen getrocknet wurde fällt auf, dass die beim
nativen Faserstoff ersichtlichen Ligninkrusten auf dieser Aufnahme nicht mehr deutlich zu
erkennen sind. Dies ist in der Tatsache begründet, dass durch eine gleichmäßige Besprühung
des Fasermaterials mit einem Bindemittel sich dieser Leim auch gleichmäßig über die Fasern
verteilt und die Fasern dadurch eine homogenere Oberfläche unter dem Mikroskop aufweisen.
Die gleichmäßige Beleimung des Fasermaterials ist von immenser Bedeutung, da dies die
späteren Haftungsstellen beim Heißpressvorgang darstellen. Je mehr Haftungsstellen
vorliegen und beim Heißpressvorgang effektiv zur Bindung genutzt werden können, desto
höher sind die späteren Querzugfestigkeiten der Faserplatte. Bei den auf der Aufnahme zu
erkennenden, sehr kleinen Krusten auf der Faseroberfläche handelt es sich nicht um Lignin
sondern um sehr geringe Mengen an Harnstoff-Formaldehyd-Harz die bereits durch die
Temperaturen in der Rohtrocknerleitung vorgehärtet sind.
128 Ergebnisse & Diskussion
Abbildung 4-6: REM-Aufnahme von UF-Harz beleimtem und getrocknetem Fasermaterial, 1420-fache Vergrößerung
Abbildung 4-7: REM-Aufnahme von unverpresstem, mit Weizenprotein beleimten Faserstoff, 710-fache Vergrößerung
Ein ähnliches Bild zeigt sich auch bei der Betrachtung des mit Weizenprotein der Fa.
CERESTAR beleimten STEICO-Industriefaserstoffes unter dem Raterelektronenmikroskop (vgl.
Abbildung 4-7). Auch in diesem Fall zeigt sich, das durch die stationäre Mischerbeleimung
die Faseroberfläche sehr homogen wirkt, was auf die gleichmäßige Umschließung des
Ergebnisse & Diskussion 129
Fasermaterials mit dem naturnahen Bindemittel auf Weizenproteinbasis schließen lässt.
Daraus ist auch zu folgern, dass das Fasermaterial auf der Pilot-MDF-Anlage im stationären
Mischer (vgl. 3.2.1.1.2) sehr homogen mit dem Weizenprotein benetzt wird, was sich
ebenfalls positiv auf die Anzahl der reaktiven Haftungsstellen auf dem beleimten
Fasermaterial auswirkt, die beim Heißpressvorgang genutzt werden können.
4.1.3 Ergebnisse der analytischen Untersuchungen der Bindemittel
4.1.3.1 Charakterisierung des Weizenproteins der Fa. CERESTAR
Die Charakterisierung der Hauptbestandteile des im Rahmen dieser Dissertation verwendeten
naturnahen Bindemittels aus nachwachsenden Rohstoffen auf Proteinbasis, der entwickelten
Weizenprotein-Suspension, erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der Analytikabteilung der
Fa. CERESTAR in Krefeld. Dabei stellt das Weizenprotein ein Nebenprodukt der
Glucosesirupherstellung dar, das ganzjährig in großen Mengen durch die Verarbeitung von
Weizen (Triticum aestivum) zu Glucosesirup, Stärke bzw. Vitalgluten anfällt.
Abbildung 4-8: Entstehung des Weizenproteins bei der Gewinnung von Vitalgluten und Stärke aus Triticum aestivum (CERESTAR, 2004)
Dazu werden die Ähren des Weizens zunächst von den Halmen getrennt und daraufhin grob
zermahlen. Anschließend werden die Ähren unter Zufuhr von Wasser weiter zermahlen. Auf
Weizen
Nassfrak-tionierung
Lösliches Material
Hemicel-lulosen
Faser-material
Weizenprotein-Suspension
Stärke Vital- gluten
130 Ergebnisse & Diskussion
diese Weise können die gewünschten Hauptprodukte, die Stärke bzw. die Grundstoffe für die
Glucosesirupherstellung unter Zufuhr von Chemikalien aus dem Rohstoff fraktioniert bzw.
gefällt werden (vgl. dazu auch Abbildung 4-8). Die dabei zurückbleibende Masse, das
Weizenprotein, besteht aus nicht nutzbaren bzw. nicht ausgewaschenen oder nicht gefällten
Inhaltsstoffen, wie Fasern, Hemicellulosen und löslichen Stoffen. Durch die Verwendung von
Chemikalien während der Gewinnung der Hauptprodukte aus dem Rohstoff verändert sich der
pH-Wert des Weizenproteins.
4.1.3.1.1 Ermittlung der Inhaltstoffe im Weizenprotein
Die entwickelte Weizenprotein-Suspension wird im Rahmen dieser Dissertation hinsichtlich
des Feststoffgehaltes über die gesamte Projektlaufzeit optimiert. Dabei wird die anfänglich
enthaltene Flüssigkeit, soweit es die technischen Voraussetzungen erlauben, auf ein Minimum
reduziert. Dies geschieht durch schonende Eindampfung des Materials; jedoch ist der Grad
der Eindampfung durch die maximal anwendbare Verdampfungstemperatur begrenzt, da bei
zu hohen Temperaturen die Inhaltsstoffe des Weizenprotein, insbesondere die enthaltenen
Proteine, geschädigt bzw. denaturiert werden können. Die sich im Laufe des Projektes
geänderten Feststoffgehalte des naturnahen Bindemittels sind in Abbildung 4-9 dargestellt.
20,324,3
31,834,4
38,241,6 43,5
0
10
20
30
40
50
60
Fest
stof
fgeh
alt (
%)
Januar März Mai Juni August Oktober November
2004
Erhöhung des Feststoffgehaltes in der Weizenprotein-Suspension
Abbildung 4-9: Veränderung des Feststoffgehaltes in der Weizenprotein-Suspension
Ergebnisse & Diskussion 131
Bei der Betrachtung der Feststoffgehalte im Weizenprotein ist eine deutliche Erhöhung von
anfangs 20,3 % (Januar 2004) auf 43,5 % (November 2004) festzustellen. Dabei wurde
lediglich das anfänglich enthaltene Wasser in diesem Nebenprodukt der
Glucosesirupherstellung verdampft. Der pH-Wert bewegt sich dabei, unabhängig vom
ermittelten Feststoffgehalt, zwischen 4,5 und 4,9. Dadurch ist erstmals eine natürliche
Suspension aus nachwachsenden Rohstoffen auf Weizenproteinbasis entwickelt worden, die
mit einem Feststoffgehalt von 43,5 % als Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten
Faserplatten verwendet werden kann. Der erzielte Feststoffgehalt von 43,5 % in der
Weizenprotein-Suspension liegt deutlich über den Feststoffgehalten der in der Vergangenheit
verwendeten Proteinleime zur Herstellung von Holzwerkstoffen im Labormaßstab.
Die Weizenprotein-Suspension mit einem Feststoffgehalt von 43,5 % und einem
durchschnittlichen pH-Wert von 4,7 wurde auch zur Herstellung der in Kapitel 3.2.4 bis 3.2.6
und Kapitel 3.4.1 bis 3.4.3 beschriebenen Mitteldichten Faserplatten verwendet. Ebenfalls die
in Kapitel 3.1.3.2.3 bis Kapitel 3.1.3.2.5 erläuterten Versuche zur Ermittlung der Viskositäten
des nativen Weizenproteins bzw. der aus konventionellen Bindemitteln und Weizenprotein-
Suspension zusammengesetzten Mischkondensate beziehen sich auf einen Feststoffgehalt von
43,5 % und einen pH-Wert von 4,7 im natürlichen Bindemittel.
Die Analyse des Weizenproteins, hinsichtlich der Zusammensetzung nach den
Hauptbestandteilen, durchgeführt in Zusammenarbeit mit der Fa. CERESTAR in Krefeld, ist in
Abbildung 4-10 dargestellt. Der Feststoffgehalt des Weizenproteins ist bei dieser Betrachtung
nicht relevant, da sich die dargestellten prozentualen Angaben auf das Trockengewicht des zu
untersuchenden Materials beziehen. Dabei ist festzustellen, dass den Hauptbestandteil, mit
durchschnittlich 45 %, die hochwertigen Zucker ausmachen. Dies entspricht auch dem durch
FRANKE (1997) ermittelten hohen Kohlenstoffgehalt im Weizen. Dabei handelt es sich
offensichtlich um Zucker, deren Extraktion aus dem Weizenmaterial nur mit Hilfe
kostenintensiver Verfahren möglich wäre. Bedingt durch höhere Herstellungskosten und eine
nur geringe Ausbeute bleiben dieses Stoffe im Nebenprodukt zurück und werden nicht zur
Glucosesirupherstellung genutzt. Die Zucker wirken sich sowohl auf die Klebeigenschaften
des Bindemittels als auch auf die Abbauraten durch Pilze bzw. Kompostierungsmöglichkeiten
durch Mikroorganismen positiv aus. Sie unterstützen beim Heißpressvorgang die
entstehenden Vernetzungen des Bindemittels in der Faserplatte und dienen den Pilzen wie
auch den Mikroorganismen als Nährstoffquelle. Die Zucker können sich jedoch auch negativ
auf die Dickenquellung der Mitteldichten Faserplatten auswirken. Des Weiteren sind Zucker,
132 Ergebnisse & Diskussion
die beim Heißpressvorgang karamellisieren, nur noch bedingt für die Pilze als Nährstoffquelle
nutzbar. Daher ist auch für die Verfügbarkeit der Zucker die Presstemperatur von
entscheidender Bedeutung. Die im Weizenprotein enthaltenen Hemicellulosen sind
Rückstände der zermahlenen Weizenähren und liegen größtenteils in Form von sehr kleinen
Fasern vor, da diese durch die Mahlvorgänge sehr stark aufgeschlossen wurden. Die
Hemicellulosen können sowohl negative als auch positive Auswirkungen bei der Verwendung
des Weizenproteins als Bindemittel haben. Negativ können sich die Fasern bei der Beleimung
des Fasermaterials auswirken, was unter Umständen zu einer Verstopfung der
Beleimungsdüsen führen kann. Auch ist durch einen hohen Hemicellulose- wie auch
Cellulosegehalt in den Holzwerkstoffen ein deutlicher Anstieg der Quellwerte dieser
Werkstoffe zu erwarten, da sowohl die Cellulose als auch die Hemicellulose sehr viel Wasser
aufnehmen können. Positive Auswirkungen haben diese Fasern jedoch beim
Heißpressvorgang und bei den Holzabbau- bzw. Kompostierungsversuchen. Sie unterstützen,
wie auch die bereits erwähnten Zucker, die beim Heißpressen entstehenden Vernetzungen
innerhalb des Bindemittels bzw. zwischen dem Bindemittel und den Fasern. Auf diese Weise
üben sie einen positiven Einfluss auf die späteren Querzugfestigkeiten der mit diesem
Bindemittel hergestellten Mitteldichten Faserplatten aus. Des Weiteren stellen die
Hemicellulosen im Bindemittel natürlich wie auch die Hemicellulosen im Faserstoff für die
Bakterien bzw. Pilze einen Rohstoff dar, den sie zur Energiegewinnung zersetzen können. Der
Anteil von Weizenproteinen ist mit durchschnittlich 25 % nicht so hoch, wie der nach
KJELDAHL bestimmte Gesamtproteingehalt (vgl. dazu Kapitel 4.1.3.3.2 und Abbildung 4-21)
im Weizenprotein. Dies ist einerseits durch produktionsbedingte Schwankungen sowie
Schwankungen im Ausgangsmaterial bedingt und anderseits mit der Tatsache zu erklären,
dass es sich bei den von der Analytikabteilung der Fa. CERESTAR angewandten
Analysemethoden zur Bestimmung der Inhaltsstoffe um wesentlich genauere bzw. für dieses
Material optimierte Verfahren handelt. Die Proteine bewirken aufgrund ihrer
charakteristischen Merkmale (vgl. Kapitel 2.2.2.2.5) ein Verkleben des Bindemittels mit dem
Fasermaterial unter Zuführung von Hitze und Druck. Die durch die physikalische Einwirkung
des Heißpressvorgangs hervorgerufene Strukturveränderung der Proteine bewirkt, dass die
Proteine dann nur noch in Form von Polypeptidketten vorliegen, deren Tertiärstruktur durch
diesen Vorgang zerstört wurde (ULRICH, 2002). Diese Tatsache ermöglicht die Verwendung
des Weizenproteins als Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten. Die
Polypeptidketten stellen jedoch nach dem Heißpressen der Holzwerkstoffe für die
Ergebnisse & Diskussion 133
Holzzerstörenden Pilze sowie die im Kompostsubstrat enthaltenen Bakterien eine bedeutende
Nährstoffquelle dar.
Prozentuale Zusammensetzung der entwickelten Weizenprotein-Suspension
45%
25%
30%
Hochw ertige Zucker Hemicellulosen Weizenproteine
Abbildung 4-10: Durchschnittliche prozentuale Zusammensetzung der Weizenprotein-Suspension bezogen auf Trockengewicht (CERESTAR, 2004)
4.1.3.1.2 Viskositäten des Weizenproteins aus der laufenden Produktion
Die rheologischen Ergebnisse der untersuchten Weizenproteinproben aus dem CERESTAR
Werk in Barby sind in Abbildung 4-11 graphisch dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die
Messung der Viskositäten dieses naturnahen Bindemittels aus nachwachsenden Rohstoffen
auf Weizenproteinbasis bei allen untersuchten Proben sehr homogene Ergebnisse aufweist.
Die Feststoffgehalte der in Abbildung 4-11 dargestellten Viskositäten der untersuchten
Weizenproteinproben waren mit Minimalwerten von 42,6 % und Maximalwerten von 44,1 %
dabei recht gleichmäßig und erlauben somit eine Vergleichbarkeit der Proben.
Die durchschnittliche Viskosität, berechnet aus den in Abbildung 4-11 dargestellten
Ergebnissen der rheologischen Untersuchungen, liegt bei 204 mPa·s und ist mit den
Viskositäten der zurzeit bei der Herstellung von Mitteldichten Faserplatten verwendeten
konventionellen Bindemitteln vergleichbar. Die Viskosität eines Bindemittels ist ein
entscheidender Faktor, da aufgrund dieser rheologischen Eigenschaften die Zähflüssigkeit und
somit die Besprühbarkeit des Bindemittels im Beleimungsprozess eingeschätzt werden kann.
Bedingt durch die annähernd gleiche Viskosität des Weizenproteins, verglichen mit den
134 Ergebnisse & Diskussion
Viskositäten konventioneller Bindemittel, kann die Verwendung dieses natürlichen
Bindemittels auf bestehenden MDF-Industrieanlagen zur Beleimung des Fasermaterials als
durchaus positiv eingeschätzt werden.
Abbildung 4-11: Viskositäten des Weizenproteins aus der Produktion im CERESTAR Werk/Barby
Für eine genauere Einschätzung zur Verwendung des Weizenproteins auf MDF-
Industrieanlagen müssen allerdings auch die Viskositäten des Bindemittels kombiniert mit
Zuschlagstoffen wie beispielsweise Hydrophobierungsmitteln, ermittelt werden. Dazu werden
in Kapitel 4.1.3.2.5 die gemessenen Viskositäten der im Rahmen dieser Dissertation
verwendeten Leimflotten, bestehend aus Weizenprotein und den Hydrophobierungsmitteln
HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL in industrieüblichen Dosierungen,
gesondert dargestellt.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500 mPa·s
η
0 10 2
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/s
Scherrate γ
Cerestar 1
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Cerestar 2
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Cerestar 3
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Cerestar 4
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Cerestar 5
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Cerestar 6
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Cerestar 7
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Ergebnisse & Diskussion 135
4.1.3.2 Viskositäten der untersuchten Bindemittel und Leimflotten
4.1.3.2.1 Viskositäten des Harnstoff-Formaldehyd-Harz-Leims Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF
Die ermittelten rheologischen Eigenschaften des im Rahmen dieser Dissertation verwendeten
UF-Harzes Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF mit einem Feststoffgehalt von 66 % sind in
Abbildung 4-12 dargestellt. Die hier dargestellten Leimflotten sind identisch mit denen, die
zur Herstellung der UF-Harz gebundenen Referenzfaserplatten (vgl. 3.2.2) verwendet wurden.
Es sind sowohl die Viskositäten von reinem Harnstoff-Formaldehyd-Harz wie auch von UF-
Harz mit Paraffinzugaben abgebildet. Alle untersuchten Leimflotten zeigen dabei ein
scherverdünnendes Verhalten, d.h. mit steigender Scherrate sinkt die Viskosität.
Die in diesen Untersuchungen ermittelte durchschnittliche Viskosität des reinen Harnstoff-
Formaldehyd-Harzes von durchschnittlich 200 mPa·s entspricht der Viskosität, die auch im
technischen Merkblatt des UF-Harzes Kauritec 407® flüssig aufgeführt ist (BASF, 2002).
Abbildung 4-12: Viskositäten der BASF Bindemittels Kauritec® 407® flüssig ohne Zugabe von Paraffin und mit 1% HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL
100
120
140
160
180
200
220
240
260
mPa·s
η
0 10 2
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/sScherrate γ
.
Kauritec 407 (flüssig)
Z3 DIN (25mm)
η
Kauritec 407 (flüssig) + 1% Hydrowax 138
Z3 DIN (25mm)
η
Kauritec 407 (flüssig) + 1% Hydrowax 730
Z3 DIN (25mm)
ViskositätViskosität η Viskosität
136 Ergebnisse & Diskussion
Durch die Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zum UF-Harz wird die Viskosität
der Leimflotte deutlich gesenkt. Die durchschnittliche Viskosität dieser Leimflotte liegt bei
gemessenen 140 mPa·s. Durch die Viskositätsverringerung kann diese Bindemittelflotte noch
leichter und gleichmäßiger auf das Fasermaterial aufgesprüht werden, als der reine UF-Harz.
Bei Zugabe von 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL zum Bindemittel Kauritec 407® flüssig
ist ebenfalls eine Viskositätsverringerung der Leimflotte durch das hinzugefügte
Hydrophobierungsmittel zu erkennen (vgl. Abbildung 4-12). Die Leimflotte, bestehend aus
Kauritec 407® flüssig und HYDROWAX 730 besitzt eine Viskosität von durchschnittlich 145
mPa·s und liegt damit leicht über der Viskosität der Leimflotte bestehend aus UF-Harz und
HYDROWAX 138, jedoch deutlich unter der Viskosität des reinen Harnstoff-Formaldehyd-
Harzes.
Die durch die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln bewirkte Viskositätssenkung ist bei allen
Leimflotten von Vorteil, da das Harnstoff-Formaldehyd-Harz bei der industriellen Herstellung
von Mitteldichten Faserplatten nahezu ausschließlich im Kombination mit Paraffinen
verarbeitet wird und durch die Viskositätsverringerung der Leimflotten eine gleichmäßigere
und leichtere Besprühung des Fasermaterials beim Herstellungsprozess gewährleistet wird.
4.1.3.2.2 Viskositäten des Phenol-Formaldehyd-Harz Bindemittels 1808 HW der Fa. BAKELITE
Das Phenol-Formaldehyd-Harz vom Typ 1808 HW der Fa. BAKELITE, mit einem
Feststoffgehalt von 29 %, weist hinsichtlich der rheologischen Untersuchungen eine sehr
geringe Viskosität auf (vgl. Abbildung 4-13). Die Viskositäskurven zeigen, dass es sich
hierbei um ein konventionelles Bindemittel mit einem geringen scherverdünnendem
Verhalten handelt. Bereits im Bereich von 100 bis 160 s-1 pro Minute fällt die Viskosität von
24 auf 17 mPa·s ab und pendelt sich danach im Bereich von 19 mPa·s ein. Das PF-Harz, das
auch zur Herstellung der in dieser Arbeit angefertigten PF-Harz gebundenen MDF-Platten im
Pilotmaßstab verwendet wurde (vgl. Kapitel 3.2.3 und 3.2.5), hat ohne Zusätze von Paraffin
eine durchschnittliche Viskosität von lediglich 19 mPa·s im Scherbereich von 100 bis 1000 s-1
pro Minute. Diese gemessenen Viskositäten der im Rahmen dieser Dissertation untersuchten
PF-Harz Proben liegen unter den im technischen Merkblatt aufgelisteten Herstellerangaben
(BAKELITE AG, 2003).
Ergebnisse & Diskussion 137
Durch die Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zur PF-Harz Leimflotte wird die
Viskosität leicht angehoben; die Viskosität bei 100 s-1 beträgt ca. 34,5 mPa·s und fällt mit
steigender Scherrate auf durchschnittlich 19,3 mPa·s ab.
Die Zugabe von 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL zum Phenol-Formaldehyd-Harz hat eine
Viskositätssenkende Wirkung auf die Bindemittelflotte im Verlauf der rheologischen
Untersuchung zur Folge. Die Viskosität dieser Bindemittelflotte liegt zu Beginn der Messung
bei 100 s-1 bei 30 mPa·s und sinkt dann mit steigender Scherrate auf durchschnittlich 14,8
mPa·s ab.
Da die erzielten Viskositäten des Phenol-Formaldehyd-Harzes von Typ 1808 der Fa.
BAKELITE sehr nahe an der für den Beleimungsprozess optimalen Viskosität von 0 mPa·s
(Wasser) liegen, handelt es sich hierbei offensichtlich um ein technisch sehr weit entwickeltes
Bindemittel, mit dem eine optimale Beleimung des Fasermaterials gewährleistet wird.
Abbildung 4-13: Viskositäten des PF-Harzes 1808 HW der Fa. BAKELITE ohne Zugabestoffe und mit 1 % HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX 730
0
5
10
15
20
25
30
35
40
mPa·s
η
0 102
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/sScherrate γ
PF-Harz Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
PF-Harz + 1% 138Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
PF-Harz + 1% 730 Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
138 Ergebnisse & Diskussion
4.1.3.2.3 Viskositäten der UF-Harz/Weizenprotein Bindemittel
Die Viskositäten der unterschiedlichen Mischkondensate, bestehend aus Kauritec 407® flüssig
der Fa. BASF und Weizenproteinbindemittel, die zur Herstellung der UF/WP gebundenen
Mitteldichten Faserplatten verwendet wurden (vgl. Kapitel 3.2.4), sind in Abbildung 4-14 bis
Abbildung 4-16 graphisch dargestellt. Dabei wurden die Viskositäten der Mischkondensate in
den Mengenverhältnissen 75:25, 50:50 und 25:75, jeweils UF-Harz zu Weizenprotein, mit
und ohne Paraffinzugabe ermittelt.
Die Viskositäskurven der Mischkondensatleimflotten im Verhältnis 75:25 (UF/WP) zeigen
alle ein scherverdünnendes Verhalten, d.h. die Viskositäten verringern sich mit zunehmender
Scherrate. Dabei ist zu erkennen, dass die Viskositäten zu Beginn der Messungen relativ
schnell aufgrund der veränderten Scherraten sinken. Die Viskositätskurven dieses
Mischkondensats verlaufen nahezu parallel (vgl. Abbildung 4-14). Ohne die Zugabe von
Paraffinen zu diesem Mischkondensat lässt sich eine durchschnittliche Viskosität von 150
mPa·s erzielen. Aufgrund des höheren UF-Harz-Anteils in diesem Mischkondensat wirkt sich
die Viskosität des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes stärker aus, so dass bereits die
Anfangsviskosität von 190 mPa·s bei einer Scherrate von 100 s-1 recht gering ausfällt.
Bei Zugabe der Paraffine HYDROWAX 138 bzw. HYDROWAX 730 der Fa. SASOL zum
Mischkondensat ist in beiden Fällen eine Viskositätserhöhung beider Leimflotten
festzustellen. Dabei wirkt sich die Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 noch etwas
Viskositätserhöhender aus als die Zugabe von 1 % HYDROWAX 730. Im Durchschnitt ergeben
sich Viskositäten von 170 mPa·s für das Mischkondensat mit 1 % HYDROWAX 730 und 175
mPa·s für das Mischkondensat mit 1 % HYDROWAX 138. Bei der abschließenden Scherrate
der Viskositätsmessungen von 1000 s-1 fallen die Viskositäten mit 155 mPa·s dieser beiden,
mit Hydrophobierungsmitteln versetzten Leimflotten allerdings gleich aus, so dass aufgrund
der rheologischen Eigenschaften dieser Leimflotten sowohl die Verwendung von HYDROWAX
138 als auch von HYDROWAX 730 als geeignet erscheint.
Ergebnisse & Diskussion 139
Abbildung 4-14: Viskositäten der UF-Harz/WP Mischkondensate (75/25) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730
Bei einem Mengenverhältnis der Komponenten Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF und der
Weizenprotein-Suspension von 50:50 im Mischkondensat, dargestellt in Abbildung 4-15,
zeigt sich ein ähnlicher Verlauf der Viskositätskurven wie beim Mischkondensat 75:25
(UF/WP). Die Leimflotten zeigen ebenfalls alle ein scherverdünnendes Verhalten, allerdings
sind die Viskositäten durch den höheren Weizenproteinanteil bereits zu Beginn der
Messungen höher. Die Kurvenverläufe sind recht parallel, nahezu deckungsgleich, und zeigen
keine großen Unterschiede hinsichtlich des reinen Mischkondensats bzw. des
Mischkondensats in Kombination mit den verwendeten Paraffindispersionen. Aufgrund der
Messungen kann bei diesen Mischkondensatleimflotten von einer durchschnittlichen
Viskosität von ca. 210 mPa·s ausgegangen werden. Die zuvor festgestellten
Viskositätserhöhenden bzw. Viskositätsverringernden Auswirkungen der verwendeten
Paraffine HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL konnten bei diesem
Mischungsverhältnis nicht signifikant gemessen werden.
0
50
100
150
200
250
300
mPa·s
η
0 102
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/sScherrate γ
25% Weizenprotein + 75% Kauritec 407
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
25% Weizenprotein + 75% Kauritec 407 + 1% HW 138
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
25% Weizenprotein + 75% Kauritec 407 + 1% HW 730
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
140 Ergebnisse & Diskussion
Abbildung 4-15: Viskositäten der UF-Harz/WP Mischkondensate (50/50) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730
Auch die Viskositätskurven des Mischkondensats, bestehend aus 25 % Harnstoff-
Formaldehyd-Harz und 75 % Weizenprotein-Suspension, zeigen ebenfalls sehr parallele und
auch nahezu deckungsgleiche Verläufe (vgl. dazu Abbildung 4-16). Dabei weisen alle
Leimflotten ein scherverdünnendes Verhalten auf. Die Viskositäten sinken in allen Fällen
durch eine Erhöhung der Scherrate.
Das Mischkondensat 25:75 ohne Paraffinzugabe hat eine durchschnittliche Viskosität von 275
mPa·s bei einer Scherrate von 500 s-1. Die 1 %ige Zugabe der beiden im Rahmen dieser
Dissertation verwendeten Paraffine HYDROWAX 138 bzw. HYDROWAX 730 der Fa. SASOL hat
keine signifikanten Auswirkungen auf die Viskositäten des Mischkondensats im Verhältnis
25:75 (UF/WP). Auch unter Zugabe von Hydrophobierungsmitteln konnte eine
durchschnittliche Viskosität von 275 mPa·s bei einer Scherrate von 500 s-1 gemessen werden.
Daher kann keine der beiden verwendeten Paraffindispersionen in Kombination mit diesem
Mischkondensat (25/75), begründet in den Ergebnissen der rheologischen Untersuchungen,
als besonders vorteilhaft bezeichnet werden. Die Viskosität dieses Mischkondensats von 275
0
50
100
150
200
250
300
350
400 mPa·s
η
0 102
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/sScherrate γ
50% Weizenprotein + 50% Kauritec 407
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
50% Weizenprotein + 50% Kauritec 407 + HW 138
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
50% Weizenprotein + 50% Kauritec 407 + HW 730
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Ergebnisse & Diskussion 141
mPa·s ist höher als die des UF-Harzes bei einer vergleichbaren Scherrate, allerdings spricht
aufgrund der gemessenen Viskosität nichts gegen die Verwendung dieses Mischkondensats
auf bestehenden MDF-Industrieanlagen. Die Leimflotte lässt sich in Form dieses
Mischkondensats ohne zusätzlichen Aufwand gleichmäßig auf das Fasermaterial, wie auch
bereits bei der Herstellung der MDF-Platten im Pilotmaßstab, aufgetragen.
Abbildung 4-16: Viskositäten der UF-Harz/Weizenprotein Mischkondensate (25/75) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730
4.1.3.2.4 Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Bindemittel
Die Viskositäten des Mischkondensats, bestehend aus Phenol-Formaldehyd-Harz und
Weizenprotein, im Mengenverhältnis 72:25 (PF/WP), das zur Anfertigung der Mitteldichten
Faserplatten verwendet wurde (vgl. Kapitel 3.2.5) konnten mit Hilfe des eingesetzten
Viskosimeters nicht ermittelt werden, da es während der Messung, bedingt durch die
steigende Scherrate zur Ausflockung des Weizenproteins im Mischkondensat kam. Da die
Scherkräfte bei der Viskositätsbestimmung höher sind als beim Anrühren der Leimflotte kam
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
600
mPa·s
η
0 10 2
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/s
Scherrate γ
75% Weizenprotein + 25% Kauritec 407
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
75% Weizenprotein + 25% Kauritec 407 + 1% HW 138
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
75% Weizenprotein + 25% Kauritec 407 + 1% HW 730
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
142 Ergebnisse & Diskussion
es nur bei der Viskositätsbestimmung zum Ausflocken des Weizenproteins und nicht beim
Anrühren der Leimflotten.
Abbildung 4-17: Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Mischkondensate (50/50) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730
Im Mischungsverhältnis 50:50 der beiden Mischkondensatkomponenten PF-Harz und
Weizenprotein konnten die Viskositäten dieser Leimflotte allein, sowie in Kombination mit
den Paraffinen HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL, ermittelt werden (vgl.
Abbildung 4-17). Die Viskositätskurven zeigen, dass es sich auch in diesem Fall um ein
Mischkondensat mit scherverdünnendem Verhalten handelt. Die Viskositäten des
Mischkondensats PF/WP (50/50) fallen jedoch langsamer und über den gesamten
Messvorgang konstanter ab im Vergleich zum reinen Phenol-Formaldehyd-Harz. Ohne
Paraffine lässt sich eine durchschnittliche Viskosität des Mischkondensats von 35 bis 40
mPa·s berechnen. Entgegen zu den Beobachtungen beim reinen PF-Harz fällt auf, dass sowohl
durch die 1 %ige Zugabe von HYDROWAX 138 als auch durch die 1 %ige Zugabe von
HYDROWAX 730 eine Viskositätssenkende Wirkung der Paraffine bei diesem Mischkondensat
festgestellt werden kann. Die durchschnittlichen Viskositäten dieser Leimflotten unter Zugabe
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 mPa·s
η
0 102
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/s
Scherrate γ
50% PF + 50% WP 1% 730
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
50% PF + 50% WP
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
50% PF + 50% WP + 138
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Ergebnisse & Diskussion 143
von Paraffinen liegen im Bereich von 30 bis 35 mPa·s und sind damit ebenfalls noch sehr
niedrig im Vergleich zu den Viskositäten der Mischkondensate, die aus Harnstoff-
Formaldehyd-Harz und Weizenproteinbindemittel (vgl. Kapitel 4.1.3.2.3) zur Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten im Rahmen dieser Dissertation verwendet wurden.
Beim Mischungsverhältnis von 25:75 der Komponenten PF-Harz und Weizenprotein kann
anhand der Viskositäten dieses Mischkondensats deutlich der Einfluss des erhöhten
Weizenproteinanteils festgestellt werden (vgl. Abbildung 4-18). Die Viskositätskurven zeigen
bei der reinen Mischkondensatflotte wie auch unter Verwendung von Paraffinen ein
scherverdünnendes Verhalten; jedoch ist ein Anstieg der Viskosität bei der reinen
Mischkondensatflotte auf durchschnittlich 150 mPa·s, im Vergleich zu den Viskositäten der
anderen PF/WP Mischkondensate, zu erkennen.
Abbildung 4-18: Viskositäten der PF-Harz/Weizenprotein Mischkondensate (25/75) mit HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730
Die 1 %ige Zugabe des Paraffins HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zum Mischkondensat wirkt
sich leicht Viskositätserhöhend aus. Diese Leimflotte weist im Vergleich zum reinen
Mischkondensat im Verhältnis 25:75 (PF/WP) eine durchschnittliche Viskosität von 155 bis
0
50
100
150
200
250
300
350
400
mPa·s
η
0 10 2
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/sScherrate γ
25% PF + 75% WP + 1% 730
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
25% PF + 75% WP + 1% 138
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
25% PF + 75% WP
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
144 Ergebnisse & Diskussion
160 mPa·s auf. Durch die Zuggabe von 1 % HydroWax 730 konnte die Viskosität der
Leimflotte leicht abgesenkt werden. Diese Leimflotte hat eine durchschnittliche Viskosität
von 140 bis 145 mPa·s.
Die Ergebnisse dieser rheologischen Untersuchungen der Mischkondensate, bestehend aus
Phenol-Formaldehyd-Harz von Typ 1808 HW der Fa. BAKELITE und der im Rahmen dieses
Forschungsvorhabens entwickelten Weizenprotein-Suspension, zeigen, dass eine Verwendung
dieser beiden Komponenten in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen als Leimflotte zur
Herstellung von Mitteldichten Faserplatten aufgrund der erzielten Viskositäten als geeignet
erscheint.
4.1.3.2.5 Viskosität der Weizenprotein-Suspension
Die Viskositäten der Weizenprotein-Suspension mit einem Feststoffgehalt von 43,5 % sind in
Abbildung 4-19 graphisch dargestellt. Dabei handelt es sich sowohl um das native
Weizenprotein als auch um Leimflotten aus Weizenprotein und Paraffinen. Es werden genau
die Leimflotten untersucht, die auch zur Herstellung der Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab verwendet wurden (vgl. Kapitel 3.2.6). Die
durchschnittliche Viskosität des Weizenproteins ohne Zugabe von Paraffindispersionen liegt
bei ca. 260 mPa·s. Die Viskosität fällt zunächst auf 350 mPa·s bei einer Scherrate von 280 s-1
bis zuletzt auf 220 mPa·s bei der maximalen Scherrate von 1000 s-1.
Bei Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zum Weizenprotein ist eine leichte
Viskositätserhöhung festzustellen, verglichen mit dem nativen Weizenprotein. Diese
Leimflotte besitzt mit einem gemessenen Wert von 748 mPa·s bei einer Scherrate von 100 s-1
die höchste Anfangsviskosität in dieser Versuchsserie. Sie fällt mit steigender Scherrate
langsam auf zunächst 350 mPa·s bei 500 s-1 ab und schließt die Messung mit einer
durchschnittlichen Viskosität von 250 mPa·s bei einer Scherrate von 1000 s-1 ab. Durch die
Zugabe von 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL zum Weizenprotein ist eine
Viskositätsverringerung durch die Paraffindispersion zu erkennen (vgl. Abbildung 4-19). Die
Viskositätsmessung dieser Leimflotte startet mit der geringsten Viskosität von 476 mPa·s bei
einer Scherrate von 100 s-1. Die Viskosität sinkt dann im Laufe der Messung mit steigender
Scherrate auf durchschnittlich 220 mPa·s bei 1000 s-1 ab und erreicht den gleichen Wert wie
das native Weizenprotein.
Ergebnisse & Diskussion 145
Abbildung 4-19: Viskositäten des Weizenproteins der Fa. CERESTAR ohne Paraffine und mit 1 % HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX 730
Abschließend lässt sich über die Viskositäten der entwickelten Weizenprotein-Suspension
aussagen, dass die Messungen in dieser Untersuchung den gemessenen Viskositäten des
Weizenproteins aus der laufenden Produktion entsprechen (vgl. Abbildung 4-11). Die
Beimischung von industrieüblichen Paraffindispersionen zur Leimflotte wirkt sich im Fall
einer 1 %igen Zugabe von HYDROWAX 138 Viskositätserhöhend aus, so dass das
Hydrophobierungsmittel HYDROWAX 730 unter rein rheologischen Gesichtspunkten als
geeigneter für die Herstellung von Mitteldichten Faserplatten erscheint, da es sich
Viskositätssenkend auf das Weizenprotein auswirkt. Die bei der Weizenprotein-Suspension
erzielten Viskositäten zeigen, dass alle Leimflotten ein scherverdünnendes Verhalten
aufweisen. Die Viskositäten dieser Leimflotten sprechen nicht gegen eine Verwendung auf
industriellen Anlagen zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten. Auch bei einer
industriellen Anwendung wird sich das Weizenprotein aller Voraussicht nach, wie auch
bereits bei der Herstellung der MDF-Platten im Pilotmaßstab, leicht und gleichmäßig auf das
Fasermaterial besprühen lassen.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
mPa·s
η
0 10 2
200 300 400 500 600 700 800 900 103
1/s
Scherrate γ
reines Weizenprotein
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Weizenprotein + 1% HW 138
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
Weizenprotein + 1% HW 730
Z3 DIN (25mm)
η Viskosität
146 Ergebnisse & Diskussion
4.1.3.3 Stickstoffgehalte der untersuchten Bindemittel
4.1.3.3.1 Stickstoffgehalte des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF
Die Titrationsergebnisse der mit dem Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407® flüssig der
Fa. BASF durchgeführten Stickstoffbestimmungen nach der KJELDAHL-Methode (vgl. dazu
Kapitel 3.1.3.3.1) sind in Tabelle 4-4 aufgeführt. Dabei fällt auf, dass die titrierten Mengen an
0,05 M Schwefelsäure bei den untersuchten Proben I bis VIII sehr ähnlich sind, was eine
Vergleichbarkeit der erzielten Ergebnisse ermöglicht. Da die titrierten Mengen im
Ausgangsdestillat aus den UF-Harz Proben aufgrund der recht hohen Stickstoffgehalte sehr
hoch und damit ungenau waren, wurde das Ausgangsdestillat 10fach verdünnt. Anschließend
wurde dann das verdünnte Destillat zurücktitriert. Die in Tabelle 4-4 angegebenen titrierten
Mengen beziehen sich auf das unverdünnte Ausgangsdestillat. Sie wurden nach der Titration
zur Berechnung des Gesamtstickstoffgehaltes (vgl. Abbildung 4-20) mit dem Faktor 10
multipliziert, um den Gehalt an Stickstoff in der ursprünglichen Trockengewichtseinwaage zu
ermitteln.
Tabelle 4-4: Titrationsergebnisse der Stickstoffbestimmung des UF-Harzes Kauritec® 407 flüssig der Fa. BASF nach KJELDAHL
Proben-nummer
Probenbezeichnung Einwaage lutro (g)
Feststoff-gehalt (%)
Einwaage atro (g)
Titrierte Menge Schwefelsäure
(ml)
I BASF Kauritec® 407 1,057 66,00 0,698 19,34
II BASF Kauritec® 407 1,105 66,00 0,729 20,68
III BASF Kauritec® 407 1,078 66,00 0,711 19,78
IV BASF Kauritec® 407 1,089 66,00 0,719 19,96
V BASF Kauritec® 407 1,088 66,00 0,718 19,91
VI BASF Kauritec® 407 1,098 66,00 0,725 20,18
VII BASF Kauritec® 407 1,068 66,00 0,705 19,35
VIII BASF Kauritec® 407 1,128 66,00 0,744 21,21
Die aus den Titrationsergebnissen des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes Kauritec 407® flüssig
der Fa. BASF (vgl. Tabelle 4-4) berechneten Stickstoffgehalte sind in Abbildung 4-20
graphisch dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass aufgrund der Tatsache, dass dieses
Bindemittel mengenmäßig zu ca. 50 % des Trockengewichts aus Harnstoff besteht, im Leim
Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF mit durchschnittlich 25,75 % ein relativ hoher
Stickstoffgehalt vorliegt. Die ermittelten prozentualen Anteile an Stickstoff sind sehr
homogen und bewegen sich zwischen minimal 25,38 % und maximal 26,34 %, jeweils
Ergebnisse & Diskussion 147
bezogen auf das Trockengewicht an Harnstoff-Formaldehyd-Harz. Die sehr homogenen
Werte zeigen, dass es sich bei dem Harnstoff-Formaldehyd-Harz der Fa. BASF um ein sehr
hoch entwickeltes, konventionelles Bindemittel auf Harnstoffbasis mit einem hohen
Qualitätsstandard handelt.
Der durchschnittliche Gehalt von 25,75 % Stickstoff ist realistisch, wenn man bedenkt, dass
ca. 48 % des Harnstoffes aus Stickstoff bestehen (BASF, 2002) und der Harnstoff in diesem
Produkt ca. die Hälfte des Trockengewichtes ausmacht. Rein rechnerisch läge der
Stickstoffgehalt nach diesen Angaben bei ca. 25 %, bezogen auf das Trockengewicht des
Bindemittels. Der hohe Harnstoffanteil ist notwendig, da Harnstoff als Reaktionspartner für
den im Leim enthaltenen Formaldehyd während des Heißpressvorgangs dient (vgl. Kapitel
2.2.2.1.1) und dadurch die späteren Formaldehydemissionen aus den UF-Harz gebundenen
Holzwerkstoffen deutlich gesenkt werden können.
25,63 26,22 25,70 25,67 25,63 25,75 25,38 26,34
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
Stic
ksto
ffgeh
alt
nach
Kje
ldah
l (%
)
I II III IV V VI VII VIII
BASF Kauritec® 407 f lüssig
Gesamtstickstoffgehalt im Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407 der Fa. BASF
Gesamtstickstoffgehalt (%)
Abbildung 4-20: Graphische Darstellung der Gesamtstickstoffgehalte im UF-Harz Kauritec® 407 flüssig der Fa. BASF
4.1.3.3.2 Stickstoff- und Proteingehalte der Weizenprotein-Suspension
Auch die nach der KJELDAHL-Methode (vgl. Kapitel 3.1.3.3.1) bestimmten Stickstoffgehalte
des Weizenproteins in Tabelle 4-5 verdeutlichen, das es hinsichtlich der titrierten Mengen von
0,05 M Schwefelsäure keine Unterschiede zwischen den beiden verwendeten
Konservierungsmitteln Propionsäure bzw. Formaldehyd gibt. Die titrierten Mengen der
148 Ergebnisse & Diskussion
Proben I bis VIII liegen mit Werten von minimal 19,37 ml bis maximal 25,66 ml, jeweils
bezogen auf die anfangs eingewogene Menge an Weizenprotein, sehr dicht beieinander
wodurch eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet ist. Daher können diese
Titrationsergebnisse auch zur Berechnung des Gesamtproteingehaltes in den
Weizenproteinproben genutzt werden.
Tabelle 4-5: Titrationsergebnisse der Stickstoffbestimmung im Weizenproteins der Fa. CERESTAR nach KJELDAHL
Proben-nummer
Probenbezeichnung Einwaage lutro (g)
Feststoff-gehalt (%)
Einwaage atro (g)
Titrierte Menge Schwefelsäure
(ml)
I Weizenprotein + 0,1
% Propionsäure
2,173 39,90 0,867 20,42
II Weizenprotein + 0,1
% Propionsäure
2,344 39,90 0,935 21,57
III Weizenprotein + 0,1
% Propionsäure
2,021 39,90 0,806 19,39
IV Weizenprotein + 0,1
% Propionsäure
2,013 39,90 0,803 19,37
V Weizenprotein + 0,1
% Formaldehyd
2,139 39,22 0,839 21,30
VI Weizenprotein + 0,1
% Formaldehyd
2,122 39,22 0,832 21,15
VII Weizenprotein + 0,1
% Formaldehyd
2,721 39,22 1,067 25,66
VIII Weizenprotein + 0,1
% Formaldehyd
2,603 39,22 1,021 23,81
Die aus den Titrationsergebnissen (vgl. Tabelle 4-5) berechneten prozentualen Stickstoff- und
Gesamtproteingehalte des Weizenproteins der Fa. CERESTAR, mit einem Feststoffgehalt von
39,90 % bzw. 39,22 %, unterteilt nach dem jeweils verwendeten Konservierungsmittel, sind
graphisch in Abbildung 4-21 dargestellt. Dabei lassen sich ein durchschnittlicher
Gesamtstickstoffgehalt von 13,36 % sowie ein durchschnittlicher Proteingehalt von 21,12 %,
bezogen auf die atro eingewogene Menge an Weizenprotein, ermitteln.
Ergebnisse & Diskussion 149
13,16
20,62
12,89
20,20
13,44
21,06
13,48
21,12
13,95
22,23
13,96
22,26
13,21
21,05
12,81
20,42
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
N- u
nd P
rote
inge
halte
na
ch K
jeld
ahl (
%)
I II III IV V VI VII VIII
Weizenprotein + 0,1 % Propionsäure Weizenprotein + 0,1 % Formaldehyd
Stickstoff- und Proteingehalte in der Weizenprotein-Suspension
Gesamtstickstoffgehalt (%) Gesamtproteingehalt (%)
Abbildung 4-21: Graphische Darstellung der Stickstoff- und Gesamtproteingehalte im Weizenprotein
Bei Betrachtung der Gesamtproteingehalte, bezogen auf die Trockengewichtseinwaage des
Bindemittels, fällt auf, dass die erzielten Ergebnisse von durchschnittlich 21,12 % nicht dem
Proteingehalt entsprechen, der durch die Fa. CERESTAR ermittelt wurde (vgl. 4.1.3.1.1). Beim
Vergleich dieser Ergebnisse ergibt sich eine Differenz von durchschnittlich 4 %. Dies liegt
vermutlich daran, dass es sich grundsätzlich bei der KJELDAHL-Methode um ein recht genaues
und auch schnelles Verfahren handelt, verglichen aber mit speziellen Analysemethoden zur
direkten Bestimmung des Proteingehaltes doch noch Abweichungen aufgrund
unspezifischerer Messtechnik beim Vergleich der beiden nach diesen Verfahren bestimmten
Proteinmengen bestehen.
4.2 Herstellung von Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab
4.2.1 Ergebnisse der Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Referenzplatten
Die mechanisch-technologischen Ergebnisse, d.h. die Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319
(vgl. Kapitel 3.3.2.2) und die Quellwerte nach DIN EN 317 (vgl. Kapitel 3.3.2.1), der mit
Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF gebundenen Referenz-MDF-Platten sind in Abbildung
4-22 bis Abbildung 4-24 graphisch dargestellt. Die mittlere Rohdichte aller 120 nach den in
Variante I bis VIII angegebenen Herstellungsparametern angefertigten Mitteldichten
150 Ergebnisse & Diskussion
Faserplatten (vgl. Tabelle 3-3 bis Tabelle 3-6) beträgt 807 kg/m³ und erfüllt damit die
angestrebte Zielrohdichte von 800 kg/m³. Die Rohdichten der einzelnen UF-Harz gebundenen
Mitteldichten Faserplatten werden nicht mehr im Einzelnen erläutert.
Bei den in Abbildung 4-22 dargestellten Ergebnissen der UF-Harz gebundenen Mitteldichten
Faserplatten ohne Zusatz von Hydrophobierungsmitteln ist festzustellen, dass bereits die
Platten von 4 mm und 6 mm Dicke ohne Zugabe von Paraffinen die durch DIN vorgegebenen
Anforderungen (vgl. Tabelle 3-18) erfüllen. Die 8 mm starken MDF-Platten erfüllen
hinsichtlich der Querzugfestigkeiten mit einem Ergebnis von 0,69 N/mm² auch die
Anforderungen nach DIN, jedoch liegen sie mit einem Quellwert von durchschnittlich 20,07
% gering über den für diese Kategorie zulässigen 17 %. Die Tendenz, dass mit steigender
Plattenstärke auch die Quellwerte ansteigen und die Querzugfestigkeiten sinken, zeigt sich
auch bei den mechanisch-technologischen Ergebnissen dieser Referenzplatten. Auch hier
fallen die Querzugfestigkeiten von 0,79 N/mm² (4 mm) bis auf 0,58 N/mm² (18 mm) recht
gleichmäßig ab, erfüllen jedoch in allen Fällen die Mindestanforderung nach DIN. Das
Absinken der Querzugfestigkeiten hängt unter anderem daran, dass aufgrund der höheren
Plattendicken die Vernetzungen des UF-Harzes beim Heißpressvorgang nicht mehr so stark
sind wie bei dünneren Platten. Bei einer Erhöhung der Plattenstärke wird auch der
Presszeitfaktor beibehalten, der eine gewisse Presszeit pro mm Plattendicke beschreibt.
Dadurch ist gewährleistet, dass die Platten, unabhängig von ihrer späteren Stärke, unter
gleichen Bedingungen verpresst werden. Allerdings wird es mit steigender Plattendicke trotz
effektiv längerer Presszeit schwierig, die gleiche Temperatur in der Plattenmitte beim
Heißpressvorgang zu erreichen. Da in den meisten Fällen die Presstemperatur in der
Plattenmitte mit steigender Plattenstärke sinkt, verschlechtern sich auch die mechanisch-
technologischen Eigenschaften dieser Werkstoffe, da das Bindemittel aufgrund geringerer
Temperaturen nicht mehr optimal ausreagieren kann. Darin ist auch die mit steigender
Plattestärke ansteigende Dickenquellung nach 24 h zu erklären. Ab einer theoretischen
Plattenstärke von 8 mm werden die nach DIN geforderten Eigenschaften hinsichtlich des
Quellverhaltens nicht mehr erfüllt. Daher ist die Verwendung von Hydrophobierungsmitteln
in der Harnstoff-Formaldehyd-Harz Leimflotte erforderlich, um auch diese Anforderungen
neben den Querzugfestigkeiten zu erfüllen.
Ergebnisse & Diskussion 151
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF-Harz gebundenen Referenz-MDF-Platten
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
4 6 8 10 12 14 16 18
Plattendicke (mm)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
10
20
30
40
Que
llung
nac
h 24
h
Was
serla
geru
ng (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-22: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm bis 18 mm starken UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten ohne Hydrophobierungsmittel
Die in Abbildung 4-23 und Abbildung 4-24 dargestellten Ergebnisse der mit Kauritec 407®
flüssig der Fa. BASF gebundenen MDF-Platten, hergestellt nach den in Tabelle 3-3 bis
Tabelle 3-6 aufgeführten Herstellungsparametern, unter Verwendung von 1 % HYDROWAX
138 bzw. 1 % HYDROWAX 730 zur Leimflotte (beides atro auf atro Fasermaterial), erfüllen
die durch DIN vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich der Querzugfestigkeiten und
Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung. Dabei wurden im Falle von der 1 %igen Zugabe
von HYDROWAX 138 durchschnittliche Querzugfestigkeiten von 0,71 N/mm² (4 mm) bis 0,58
N/mm² (18 mm) erzielt, die die nach DIN geforderten Mindestanforderungen erfüllen. Mit
den ermittelten Werten sind die Querzugfestigkeiten dieser MDF-Platten, bedingt durch die
Verwendung des Hydrophobierungsmittels, etwas geringer als die vergleichbaren Festigkeiten
der UF-Harz gebundenen MDF-Platten ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln. Die
Dickenquellwerte der hergestellten Referenzplatten unter Zugabe von 1 % HYDROWAX 138
zur Harnstoff-Formaldehyd-Harz Leimflotte sind mit durchschnittlichen Resultaten von 10,81
%, bei den 4 mm dicken Platten, bis zu 12,1 % bei den 18 mm starken Faserplatten
vollkommen in den Mindestanforderungen. Auch die Querzugfestigkeiten und Quellwerte der
unter Verwendung von 1 % HYDROWAX 730 angefertigten Harnstoff-Formaldehyd-Harz
gebundenen Mitteldichten Faserplatten in den Stärken von 4 mm bis 18 mm erreichen die
durch DIN vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich der Festigkeiten senkrecht zur
Plattenebene und der Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung (vgl. dazu Abbildung 4-24).
Die Querzugfestigkeiten von 0,75 N/mm² (4 mm) bis 0,56 N/mm² (18 mm) sind mit den
152 Ergebnisse & Diskussion
Ergebnissen der unter Zugabe von HYDROWAX 138 angefertigten Platten vergleichbar. Auch
in diesen Versuchsvarianten zeigt sich, dass die Querzugfestigkeiten durch die Verwendung
von Hydrophobierungsmitteln, verglichen mit den rein UF-Harz gebundenen MDF-Platten
ohne Paraffine, leicht geringer ausfallen.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF-Harz gebundenen Referenz-MDF-Platten mit 1 % HydroWax 138
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
4 6 8 10 12 14 16 18
Plattendicke (mm)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
10
20
30
40
Que
llung
nac
h 24
h
Was
serla
geru
ng (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-23: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm bis 18 mm starken UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten mit HYDROWAX 138
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF-Harz gebundenen Referenz-MDF-Platten mit 1 % HydroWax 730
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
4 6 8 10 12 14 16 18
Plattendicke (mm)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
10
20
30
40
Que
llung
nac
h 24
h
Was
serla
geru
ng (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-24: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm bis 18 mm starken UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten mit HYDROWAX 730
Ergebnisse & Diskussion 153
Die Bestimmung der Formaldehydemissionen aus den 10 mm starken UF-Harz gebundenen
Mitteldichten Faserplatten nach der Perforator-Methode (vgl. auch Abbildung 4-25) zeigte,
dass diese Platten alle den nach der DiBt-Richtlinie 100 (1994) vorgegebenen Emissionswert
von 7 mg Formaldehyd pro 100 g Faserplatte nicht überschreiten. Allerdings ist bei der
Verwendung der beiden Paraffine HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL in
Dosierungen von 1 % atro bezogen auf atro Fasermaterial zu erkennen, dass die
Formaldehydemissionen leicht ansteigen. Dies ist vermutlich dadurch bedingt, dass durch die
Zugabe von Paraffin zur Leimflotte die Komponenten Harnstoff und Formaldehyd während
des Heißpressvorgangs nicht vollständig ausreagieren und das Formaldehyd dadurch später
leichter emittieren kann. Somit ergeben sich hinsichtlich der Formaldehydemission
Differenzen von ca. 0,1 mg Formaldehyd pro 100 g Faserplatte zwischen der Verwendung
reiner UF-Leimflotten bzw. der Verwendung von UF-Harz/Paraffin-Leimflotten.
Formaldehydemissionen aus 10 mm starken Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten
6,496,516,4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ohne Paraff in 1 % HydroWax 138 1 % HydroWax 730
Form
alde
hyde
mis
sion
nac
h D
IN E
N 1
20 (m
g H
CH
O/1
00 g
Fas
erpl
atte
)
Abbildung 4-25: Formaldehydemissionen aus 10 mm starken mit Kauritec 407® flüssig gebundenen MDF-Platten nach der Perforator-Methode
Abschließend kann bezüglich der mit Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF gebundenen
Mitteldichten Faserplatten unter Zugabe eines Hydrophobierungsmittels ausgesagt werden,
dass sich unter den verwendeten Herstellungsparametern auf der Pilot-MDF-Anlage des NHN
Referenzplatten herstellen lassen, die den Anforderungen durch DIN hinsichtlich der
Querzugfestigkeiten und der Quellwerte wie auch der Formaldehydemission nach DiBt-
Richtlinie 100 genügen.
154 Ergebnisse & Diskussion
4.2.2 Ergebnisse der Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Referenzplatten
Aus allen 45 Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen Referenz-Faserplatten, hergestellt nach
den in Tabelle 3-7 und Tabelle 3-8 aufgeführten Parametern, konnte eine durchschnittliche
Rohdichte von 798 kg/m³ ermittelt werden, so dass die angestrebte Zielrohdichte von 800
kg/m³ bei diesen Platten erreicht wurde. Die durchschnittliche Rohdichte wurde im Mittel zu
ungefähr 13 kg/m³ unter- bzw. überschritten. Es werden daher bei der folgenden Diskussion
der mechanisch-technologischen Eigenschaften dieser PF-Harz gebundenen Faserplatten der
Variante I bis III ausschließlich die Querzugfestigkeiten und die Quellwerte betrachtet. Die
einzelnen Rohdichten werden nicht mehr gesondert aufgeführt.
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften, ermittelt nach den gültigen DIN EN
Vorschriften (vgl. Kapitel 3.3.2 ff.) der mit Phenol-Formaldehyd-Harz HW 1808 der Fa.
BAKELITE hergestellten MDF-Platten ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln sind in
Abbildung 4-26 graphisch dargestellt.
Die abgebildeten Querzugfestigkeiten und Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung
erfüllen bei allen verwendeten Pressfaktoren die zurzeit vorgegebenen DIN EN Normen von
0,6 N/mm² für die Querzugfestigkeit und > 15 % für die Dickenquellung nach 24 h
Wasserlagerung. Dabei ist eine sehr geringe Abnahme der Querzugfestigkeiten mit steigenden
Presszeitfaktoren ersichtlich. Bei 18 Sekunden pro mm Plattendicke wurden durchschnittliche
Querzugfestigkeiten von 0,99 N/mm² erzielt. Mit steigender Presszeit verringern sich die
Querzugfestigkeiten zunächst auf 0,93 N/mm² (240 Sekunden) und schließlich auf 0,85
N/mm² (300 Sekunden). Dies ist ein charakteristisches Merkmal der Phenol-Formaldehyd-
Harze, da es bei längeren Presszeiten zu einer Vergütung der Dickenquellwerte, ähnlich wie
bei einer thermischen Nachbehandlung, kommt. Konträr zu den mit steigender Presszeit leicht
sinkenden Querzugfestigkeiten werden durch den längeren Heißpressvorgang bessere
Quellwerte nach 24 h Wasserlagerung erzielt. Die Quellwerte verbessern sich von 11,16 %
bei einer Presszeit von 180 Sekunden über 9,78 % bei 240 Sekunden bis hin zu 8,09 % bei
einer Pressdauer von insgesamt 300 Sekunden. Dies ist eine Vergütung der mechanisch-
technologischen Eigenschaften, die bei PF-Harz gebundenen Platten durch eine thermische
Nachbehandlung oder längere Presszeiten erzielt werden kann, da es bei diesem Bindemittel
mit steigenden Presszeiten nicht zu einer Hydrolysereaktion, wie beispielsweise beim UF-
Harz, kommt.
Ergebnisse & Diskussion 155
Mechanisch-technologische Eigenschaften von 10 mm starken PF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Dic
kenq
uellu
ng n
ach
24 h
W
asse
rlage
rung
Querzugfestigkeit (N/mm²) Quellung 24h (%)
Abbildung 4-26: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF-Harz gebundenen MDF-Platten ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln
Durch eine 1 %ige Zugabe (atro auf atro Faser) des Hydrophobierungsmittels HYDROWAX
138 der Fa. SASOL zum Phenol-Formaldehyd-Harz Bindemittel HW 1808 der Fa. BAKELITE
unter Beibehaltung der übrigen Herstellungsparameter zeigen sich veränderte mechanisch-
technologische Eigenschaften (vgl. Abbildung 4-27) gegenüber den nur mit PF-Harz
hergestellten Faserplatten (vgl. Abbildung 4-26). Die unter Verwendung von HYDROWAX 138
angefertigten Mitteldichten Faserplatten erfüllen, unabhängig vom verwendeten
Presszeitfaktor, bezüglich der Querzugfestigkeiten und der Dickenquellwerte nach 24 h
Wasserlagerung die vorgegebenen Mindestanforderungen nach DIN EN (vgl. Tabelle 3-18).
Die Querzugfestigkeiten sind jedoch, bedingt durch die Verwendung der Paraffindispersion in
der Leimflotte, etwas geringer als bei den PF-Harz gebundenen MDF-Platten ohne
Hydrophobierungsmittel. Sie fallen mit steigender Presszeit von 0,91 N/mm² (180 Sekunden)
über 0,85 N/mm² (240 Sekunde) auf 0,81 N/mm² (300 Sekunden) ab. Die Dickenquellwerte
nach 24 h Wasserlagerung hingegen sind, bedingt durch das HYDROWAX 138, besser als die
entsprechenden Werte bei den rein mit Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten.
Die Quellwerte verbessern sich auch in diesem Versuch von 10,08 % (180 Sekunden) über
7,35 % (240 Sekunden) bis auf 6,78 % (300 Sekunden) mit steigendem Presszeitfaktor.
156 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften 10 mm starker PF-Harz gebundener MDF-Platten unter Verwendung von 1 % HydroWax 138
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
2
4
6
8
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12
14
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20
Dic
kenq
uellu
ng n
ach
24 h
W
asse
rlage
rung
Querzugfestigkeit (N/mm²) Quellung 24h (%)
Abbildung 4-27: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF-Harz gebundenen MDF-Platten unter Verwendung von HYDROWAX 138
Die Auswirkungen der Paraffindispersion HYDROWAX 730 der Fa. SASOL auf die
mechanisch-technologischen Eigenschaften der PF-Harz gebunden Mitteldichten Faserplatten
sind in Abbildung 4-28 dargestellt. Dabei erfüllen alle Platten dieses Versuches die
vorgegebenen DIN EN Normen bezüglich der Querzugfestigkeiten von 0,60 N/mm² und der
Dickenquellung nach 24 h von ≤ 15 %, unabhängig von der verwendeten Heißpresszeit. Auch
in diesem Versuch wird die Beimischung der Paraffindispersion an den verbesserten
Quellwerten und den leicht geringeren Querzugfestigkeiten der Mitteldichten Faserplatten
deutlich. Die Werte liegen unter den Quellwerten der nur mit Phenol-Formaldehyd-Harz
gebunden Faserplatten (vgl. Abbildung 4-26). Die Quellwerte nach 24 h Wasserlagerung
verbessern sich mit diesem Paraffin von anfänglich 10,82 % (180 Sekunden) über 8,32 %
(240 Sekunden) bis hin zu 6,91 % (300 Sekunden) bei einem steigenden Presszeitfaktor. Die
erzielten Querzugfestigkeiten fallen aufgrund der längeren Presszeit von 0,91 N/mm² (180
Sekunden) auf 0,88 N/mm² und letztlich auf 0,86 N/mm² mit steigenden Presszeitfaktoren nur
in einem sehr geringen Umfang ab.
Ergebnisse & Diskussion 157
Mechanisch-technologische Eigenschaften 10 mm starker PF-Harz gebundener MDF-Platten unter Verwendung von 1 % HydroWax 730
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Dic
kenq
uellu
ng n
ach
24 h
W
asse
rlage
rung
Querzugfestigkeit (N/mm²) Quellung 24h (%)
Abbildung 4-28: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF-Harz gebundenen MDF-Platten unter Verwendung von HYDROWAX 730
Die nach der Perforator-Methode ermittelten Formaldehydemissionen aus den Phenol-
Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten sind in Abbildung 4-29 graphisch
dargestellt. Dabei handelt es sich ausschließlich um MDF-Platten mit einer Plattenstärke von
10 mm, da diese Werte als Referenzwerte zu den 10 mm starken mit Mischkondensaten,
bestehend aus PF-Harz und Weizenprotein, hergestellten MDF-Platten (vgl. dazu auch
Kapitel 3.2.5) benötigt werden.
Die errechneten Formaldehydemissionen liegen mit Werten von 6,21, 6,27 und 6,29 mg
HCHO pro 100 g Faserplatte noch deutlich unter dem durch die DiBt-Richtlinie 100
vorgegebenen Wert von 7,0 mg HCHO pro 100 g Faserplatte. Dabei liegen die
durchschnittlichen HCHO-Emissionswerte, bei den unter Verwendung von Phenol-
Formaldehyd-Harz Leimflotten mit Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX
730 der Fa. SASOL hergestellten MDF-Platten im Pilotmaßstab, etwas über den
durchschnittlichen Emissionswert der PF-Harz gebundenen MDF-Platten ohne Paraffinzusatz.
Auch bei den Phenol-Formaldehyd-Harzen ist dies darauf zurückzuführen, dass aufgrund der
Paraffinzugabe die Komponenten Phenol und Formaldehyd während des Heißpressvorgangs
nicht vollständig ausreagieren können und daher der Formaldehyd später leichter aus den
158 Ergebnisse & Diskussion
Werkstoffen entweichen kann. Die gemessenen Formaldehydemissionen sind für PF-Harz
gebundene MDF-Platten relativ hoch, was auf zu geringe Presstemperaturen bei der
Herstellung der Holzwerkstoffe zurückzuführen ist.
Formaldehydabgabe der 10 mm starken PF-Harz gebundenen MDF-Platten
6,276,296,21
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ohne Paraff in 1 % HydroWax 138 1 % HydroWax 730
Form
alde
hyde
mis
sion
en n
ach
DIN
EN
120
(m
g H
CH
O/ 1
00 g
Fas
erpl
atte
)
Abbildung 4-29: Formaldehydemissionen der 10 mm starken MDF-Platten gebundenen mit Phenol-Formaldehyd-Harz vom Typ 1808 HW der Fa. BAKELITE
Abschließend lässt sich aussagen, dass die auf der Pilot-MDF-Anlage des NHN hergestellten
Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichte Faserplatten alle die erforderlichen DIN
EN Normen hinsichtlich der Querzugfestigkeiten und Quellwerte nach 24 h Wasserlagerung
erzielen. Bei den Versuchen zeigte sich, dass die optimale Presszeit bei der Anfertigung dieser
Faserplatten 18 Sekunden pro mm Plattenstärke ist, da sich die Querzugfestigkeiten mit den
steigenden Presszeitfaktoren verschlechtert und sich die Quellwerte aufgrund der längeren
Presszeiten nur gering verbessert haben. Die Beimischung der Hydrophobierungsmittel
HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 in die Leimflotten zeigte, dass beide
Paraffindispersionen sowohl eine Verringerung der Quellwerte nach 24 h als auch eine
Verringerung der Querzugfestigkeiten, verglichen mit den rein PF-Harz gebundenen Platten,
bewirkte. Auch die Ergebnisse der Formaldehydemissionsmessungen aller in diesen
Versuchen hergestellten, Phenol-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten liegen unter
dem nach der DiBt-Richtlinie 100 vorgegebenen Wert von 7,0 mg HCHO pro 100 g
Mitteldichten Faserplatte.
Ergebnisse & Diskussion 159
4.2.3 Ergebnisse der UF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
In den folgenden Diagrammen Abbildung 4-30 bis Abbildung 4-38 sind die Ergebnisse der
mit Mischkondensaten aus Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF
und der entwickelten Weizenprotein-Suspension hergestellten Mitteldichten Faserplatten
graphisch dargestellt. Dabei sind in den Graphiken ausschließlich die nach DIN EN 317
ermittelten Quellwerte (vgl. Kapitel 3.3.2.1) und die nach DIN EN 319 ermittelten
Querzugfestigkeiten (vgl. Kapitel 3.3.2.2) dargestellt. Die Rohdichten aller in diesen Serien
angefertigten Mitteldichten Faserplatten liegen mit durchschnittlich 795 kg/m³ im Bereich der
angestrebten Zielrohdichte von 800 kg/m³. Dazu wurden die Rohdichten von allen 135 für die
Serien der Variante I bis III (vgl. Tabelle 3-9) hergestellten MDF-Platten nach DIN EN 323
(vgl. Kapitel 3.3.2.3) gemessen. Die aus diesen Faserplatten berechnete mittlere Rohdichte
liegt bei 795 kg/m³. Auf die gleiche Weise wurde ein Mittelwert für die Stärke der 135
angefertigten Mitteldichten Faserplatten errechnet. Dazu wurde von jeder Platte die Enddicke
auf zwei Stellen hinter dem Komma mit Hilfe einer digitalen Schieblehre gemessen. Im Mittel
wiesen die MDF-Platten der Variante I bis III, gebunden mit UF-Harz und Weizenprotein,
eine Stärke von 9,52 mm auf.
Die mechanisch-technologischen Ergebnisse der mit einer Leimflotte bestehend aus
Harnstoff-Formaldehyd-Harz und Weizenprotein im Mengenverhältnis von 75/25
hergestellten Mitteldichten Faserplatten sind in Abbildung 4-30 bis Abbildung 4-32 graphisch
dargestellt. Dabei handelt es sich um die drei Serien der Variante I bestehend aus insgesamt
45 Platten (vgl. dazu Tabelle 3-9). Bei den dargestellten Ergebnissen der Querzugfestigkeiten
und Quellwerte handelt es sich ebenfalls um Mittelwerte. Dabei werden pro Presszeitfaktor
die aus den fünf zusammengehörigen Platten einer Serie ermittelten Ergebnisse dargestellt.
Bei der ersten Serie der Variante I (Abbildung 4-30), der Verwendung des Mischkondensats
UF/WP im Verhältnis 75/25 ohne Hydrophobierungsmittel, fällt auf, dass die hier erzielten
Querzugfestigkeiten von 0,80 N/mm² (180 Sekunden), 0,76 N/mm² (240 Sekunden) sowie
0,68 N/mm² (300 Sekunden) über dem vom DIN vorgegebnen Mindestwert von 0,60 N/mm²
liegen (vgl. Tabelle 3-18). Die Tatsache, dass die Querzugfestigkeiten mit ansteigender
Presszeit abfallen, ist in der Hydrolysereaktion des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes begründet.
Da diese Bindemittelkomponente 75 % der gesamten atro Bindemittelmenge ausmacht, hat
sie auch einen wesentlichen Einfluss auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften der
Mitteldichten Faserplatten.
160 Ergebnisse & Diskussion
Die Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung erfüllen jedoch in keinem Fall den für MDF-
Platten in den Stärken von 9 bis < 12 mm zulässigen Höchstwert von weniger als 15 %. Die
gemessenen Quellwerte von 20,80 % (180 Sekunden), 21,77 % (240 Sekunden) und 21,21 %
(300 Sekunden) liegen sehr dicht beieinander, woraus zu schließen ist, dass die
Hydrolysereaktion des UF-Harzes bei längeren Presszeiten in diesem Fall keine positiven
Auswirkungen auf das Quellverhalten der unter diesen Parametern hergestellten Faserplatten
hat. Da die Quellwerte nicht höher sondern sogar etwas geringer sind als bei den UF-
Referenzplatten, kann dies auf eine Erhöhung der Wasserresistenz durch Beimischung von
Proteinen zurückzuführen sein. Dieses Verhalten von Protein/UF-Leimen wurde bereits von
WANG und PIZZI (1997) bei der Verleimung von Sperrholz mit UF/Protein Mischkondensaten
beobachtet.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen 10 mm starken MDF ohne Paraffine
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-30: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel
Werden der Leimflotte Hydrophobierungsmittel beigemischt, so wirkt sich dies enorm auf die
mechanisch-technologischen Eigenschaften der MDF-Platten aus. Durch eine 1 %ige
Beimischung der Paraffindispersion HYDROWAX 138 der Fa. SASOL (atro Paraffin auf atro
Fasermaterial) zur Leimflotte, bestehend aus dem Mischkondensat UF WP (75/25), können
die von DIN vorgegebenen Anforderungen an MDF-Platten in der Stärke von 9 bis < 12 mm
erfüllt werden (vgl. Abbildung 4-31). Die höheren Querzugfestigkeiten dieser Platten im
Vergleich zu den ohne Hydrophobierungsmitteln hergestellten MDF-Platten weisen darauf
hin, dass die Paraffindispersion HYDROWAX 138 in Verbindung mit dem Mischkondensat die
Ergebnisse & Diskussion 161
Klebeigenschaften des Mischkondensats unterstützt und nicht, wie bereits häufig beobachtet
wurde, die Querzugfestigkeiten durch die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln gesenkt
werden. Unter Verwendung dieser Herstellungsparameter werden Querzugfestigkeiten von
1,01 N/mm² (180 Sekunden), 0,86 N/mm² (240 Sekunden) und 0,85 N/mm² (300 Sekunden)
bei den Mitteldichten Faserplatten erreicht. Die Querzüge fallen auch in dieser Serie mit
ansteigender Presszeit leicht ab, was jedoch auf den hydrolysierten Harnstoff-Formaldehyd-
Harz zurückzuführen ist.
Die gemessenen Dickenquellwerte nach DIN EN 317 liegen mit 11,58 % (180 Sekunden),
11,62 % (240 Sekunden) und 11,54 % (300 Sekunden) alle sehr nah beieinander und erfüllen
durchweg den vorgegebenen Wert von weniger als 15 %. Dies ist auf die in dieser Serie
verwendete Paraffindispersion HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zurückzuführen.
Aufgrund dieser Ergebnisse kann ausgesagt werden, dass 25 % des bisher verwendeten
Harnstoff-Formaldehyd-Harzes vom Typ Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF (atro) durch die
im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Weizenprotein-Suspension zur Herstellung von 10
mm starken Faserplatten im Pilotmaßstab substituiert werden können. Durch die Zugabe von
1 % HYDROWAX 138 in die Bindemittelflotte lassen sich auf diese Weise MDF-Platten
herstellen, die die mechanisch-technologischen Anforderungen, vorgegeben durch DIN,
erfüllen.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 138
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-31: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138
162 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 730
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-32: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730
Auch die in Kombination mit dem Mischkondensat UF/WP (75/25) verwendete 1 %ige
Paraffindispersion HYDROWAX 730 der Fa. SASOL (atro auf atro Fasermaterial) führt zu sehr
guten mechanisch-technologischen Platteneigenschaften (vgl. Abbildung 4-32). Die
Querzugfestigkeiten bewegen sich im Bereich von 0,95 N/mm² (180 Sekunden), 0,94 N/mm²
(240 Sekunden) bis zu 1,03 N/mm² (300 Sekunden). Sie fallen, verglichen mit den unter
Verwendung von HYDROWAX 138 hergestellten MDF-Platten, hinsichtlich der erzielten
Querzugfestigkeiten sehr ähnlich aus. Dabei zeigt sich jedoch eine für das Mengenverhältnis
dieses UF/WP-Mischkondensats (75/25) untypische Eigenschaft; bei dem höchsten in dieser
Serie verwendeten Presszeitfaktor von 30 Sekunden pro mm Plattenstärke wurden im Mittel
die besten Querzugfestigkeiten erzielt. Dies liegt vermutlich daran, dass die Rohdichte mit
815 kg/m³ etwas höher bei diesen fünf Platten war. Verglichen mit den in Abbildung 4-30
dargestellten Ergebnissen unterstützt auch in diesem Fall möglicherweise das
Hydrophobierungsmittel die Klebeigenschaften des verwendeten Mischkondensats da die
Querzugfestigkeiten auch mit diesem Paraffin höher sind.
Die gemessenen Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung fallen bei einer 1 %igen Zugabe
des Paraffins HYDROWAX 730 mit 12,54 % (180 Sekunden), 12,26 % (240 Sekunden) und
12,27 % (300 Sekunden) etwas höher aus als bei den mit HYDROWAX 138 hergestellten
Platten unter Verwendung des UF/WP Mischkondensats im Mengenverhältnis 75:25. Es
Ergebnisse & Diskussion 163
lassen sich mit ansteigender Presszeit keine deutlichen Unterschiede bei den Quellwerten
feststellen. Bei der Betrachtung dieser Ergebnisse ist zu erkennen, dass auch durch eine 1
%ige Beimischung des Paraffins HYDROWAX 730 zum UF/WP-Mischkondensat (75/25) die
Anforderungen nach DIN hinsichtlich der mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit
dieser Bindmittelflotte hergestellten MDF-Platten vollständig erfüllt werden.
Ändert man das Mengenverhältnis des Mischkondensats, bestehend aus Kauritec 407® flüssig
und Weizenprotein, von 75:25 auf 50:50, so ist dies an den mechanisch-technologischen
Eigenschaften der mit dieser Leimflotte hergestellten Mitteldichten Faserplatten feststellbar.
Auch bei der Variante II wurde das Mischkondensat im Mengenverhältnis 50:50 ohne
Hydrophobierungsmittel (vgl. Abbildung 4-33) bzw. wahlweise entweder mit 1 %
HYDROWAX 138 (vgl. Abbildung 4-34) oder mit 1 % HYDROWAX 730 (vgl. Abbildung 4-35)
der Fa. SASOL als Leimflotte zur Herstellung von 10 mm starken MDF-Platten verwendet. Bei
der Verwendung des UF/WP-Mischkondensats (50/50) ohne Hydrophobierungsmittel ist in
Abbildung 4-33 ersichtlich, dass alle mit dieser Leimflotte hergestellten MDF-Platten die
durch DIN vorgegebenen Mindestanforderungen von >0,60 N/mm² bezüglich der Festigkeiten
senkrecht zur Plattenebene bei sämtlichen, verwendeten Presszeitfaktoren erfüllen. Die
gemessenen Querzugfestigkeiten von 0,76 N/mm² (180 Sekunden), 0,78 N/mm² (240
Sekunden) und 0,82 N/mm² (300 Sekunden) weisen bei diesem Mischkondensat die besten
Querzugfestigkeiten bei fünf Minuten Presszeit auf. Dies liegt vermutlich am geänderten
Mischungsverhältnis der beiden in der Leimflotte enthaltenen Komponenten. Da der Anteil an
Harnstoff-Formaldehyd-Harz verglichen mit den zuvor durchgeführten Versuchen der
Variante I geringer geworden ist, wirkt sich auch die durch eine zu lange Presszeit
hervorgerufene Hydrolysereaktion nicht mehr so extrem auf diese Festigkeiten aus. Das
Weizenprotein benötigt zum Ausreagieren eine längere Presszeit als das Harnstoff-
Formaldehyd-Harz. Der im Kauritec 407® flüssig enthaltene Formaldehyd dient den im
Weizenprotein enthaltenen Proteinen als „Crosslinker“ (CERESTAR, 2004). Dabei kann es
aufgrund der Reaktion dieser beiden Komponenten zu höheren Querzugfestigkeiten kommen.
Allerdings handelt es sich beim Kauritec 407® flüssig um einen Formaldehydarmen Leim,
wie er in der Holzwerkstoffindustrie zurzeit verwendet wird. Daher wird der Großteil des
Formaldehyds mit dem Harnstoff und möglicherweise nur ein sehr geringer Teil des
Formaldehyds mit den Proteinen reagieren. Aufgrund dieser Tatsachen ist bei der
Verwendung dieses Mischkondensats in dem vorliegenden Mengenverhältnis theoretisch bei
ansteigenden Presszeiten mit höheren bzw. nicht stark veränderten Querzugfestigkeiten zu
rechnen. Dies spiegelt sich auch in den erzielten Ergebnissen wieder.
164 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen 10 mm starken MDF ohne Paraffine
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-33: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel
Die Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung liegen bei diesem UF/WP-Mischkondensat
(50/50) ohne Hydrophobierungsmittel im Schnitt um 10 % höher als die vergleichbaren Werte
der mit dem Mischkondensat im Verhältnis 75:25 ohne Hydrophobierungsmittel angefertigten
MDF-Platten. Das ist bedingt durch den im Mischkondensat erhöhten Anteil an
Weizenprotein. Dadurch wurde auch der Gehalt an Proteinen und mehrwertigen Zuckern in
der Bindemittelflotte erhöht, was sich anhand einer gestiegenen Wasseraufnahme
charakterisieren lässt. Bei der Erhöhung des Presszeitfaktors sind die Quellwerte von 29,80 %
(180 Sekunden), 31,15 % (240 Sekunden) und 32,17 % (300 Sekunden) annähernd gleich
geblieben. Sie liegen jedoch alle über dem durch DIN vorgegebenen Wert von ≤ 15 % und
erfüllen damit diese Anforderung nicht.
Ergebnisse & Diskussion 165
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 138
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-34: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138
Weder durch die 1 %ige Beimischung der Paraffindispersionen HYDROWAX 138 noch durch
die 1 %ige Zugabe von HYDROWAX 730 (beide atro auf atro Fasermaterial) in das UF/WP-
Mischkondensat (50/50) konnten die Quellwerte bei den mit diesen Bindemittelflotten
hergestellten Mitteldichten Faserplatten gesenkt werden (vgl. dazu Abbildung 4-34 und
Abbildung 4-35). Mit HYDROWAX 138 konnten, wie in Abbildung 4-34 dargestellt,
Quellwerte von 31,13 % (180 Sekunden), 36,85 % (240 Sekunden) und 31,71 % (300
Sekunden) erreicht werden. Aufgrund der geringen Differenzen zu den Ergebnissen in
Abbildung 4-33 kann beim direkten Vergleich der ermittelten Quellwerte nicht festgestellt
werden, das überhaupt ein Hydrophobierungsmittel verarbeitet wurde. Erstaunlich bei den
MDF-Platten dieser Serie sind die Querzugfestigkeiten. Diese liegen mit 0,86 N/mm² (180
Sekunden), 0,81 N/mm² (240 Sekunden) und 0,67 N/mm² (300 Sekunden) über den vom
DEUTSCHEN INSTITUT FÜR NORMUNG vorgegebenen Anforderungen von 0,60 N/mm². Die
unter Verwendung von HYDROWAX 730 und dem UF/WP-Mischkondensat (50/50)
angefertigten Faserplatten zeigen ähnliche Werte hinsichtlich der Querzugfestigkeiten und der
Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung (vgl. Abbildung 4-35). Auch bei diesem
Hydrophobierungsmittel sind keine positiven Einflüsse auf die Quellwerte in Kombination
mit diesem Mischkondensat erzielt worden. Die Werte von 29,81% (180 Sekunden), 30,82 %
(240 Sekunden) und 32,23 % (300 Sekunden) unterscheiden sich kaum von den Ergebnissen
die mit HYDROWAX 138 bzw. ganz ohne Hydrophobierungsmittel erzielt wurden. Parallelen
166 Ergebnisse & Diskussion
zu diesen Versuchen zeigen sich auch bei den gemessenen Querzugfestigkeiten dieser
Mitteldichten Faserplatten. Werte von 0,85 N/mm² (180 Sekunden), 0,82 N/mm² und 0,64
N/mm² (300 Sekunden) erfüllen bei allen verwendeten Presszeitfaktoren die DIN-Norm
hinsichtlich der Festigkeit senkrecht zur Plattenebene. Die erhöhten Querzugfestigkeiten sind
vermutlich auf die bereits bei den Platten der Variante I festgestellte Verbesserung der
Klebeigenschaften durch die Hydrophobierungsmittel zurückzuführen. Allerdings kommt es
anscheinend zwischen dem Weizenprotein und den Paraffinen zu einer Reaktion, durch die
die Wirkungsweise der Hydrophobierungsmittel nahezu vollständig aufgehoben wird und die
Verbesserung der Klebeigenschaften des Mischkondensats nicht so optimal durch die
Paraffine unterstützt werden wie bei den in Variante I mit dem UF/WP-Mischkondensat 75:25
hergestellten Mitteldichten Faserplatten. Auch die Querzugfestigkeiten sind in den beiden
Serien, in denen die Hydrophobierungsmittel verwendet wurden, bei der jeweils längsten
Presszeit am geringsten. Diese Eigenschaft ist möglicherweise auf eine negative
Wechselwirkung zwischen den Paraffinen und dem Weizenprotein bei längeren Presszeiten
zurückzuführen.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 730
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-35: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730
Wird das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten Harnstoff-Formaldehyd-Harz und
Weizenprotein im Mischkondensat von 50:50 auf 25:75 geändert so sind die Einflüsse des
erhöhten Weizenproteinanteils an auch in den mechanisch-technologischen Eigenschaften der
mit diesem Mischkondensat hergestellten Mitteldichten Faserplatten zu erkennen. In
Ergebnisse & Diskussion 167
Abbildung 4-36 sind die mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit dem UF/WP-
Mischkondensat (25/75) gebundenen und ohne Zugabe weiterer Paraffine hergestellten, 10
mm starken Mitteldichten Faserplatten der Variante III in Form von Balkendiagrammen
dargestellt. Dabei zeigt sich, dass sich die Querzugfestigkeiten mit ansteigendem
Presszeitfaktor leicht verbessern. Bei den gemessenen Querzugfestigkeiten von 0,56 N/mm²
(180 Sekunden), 0,66 N/mm² (240 Sekunden) und 0,64 N/mm² (300 Sekunden) ist ersichtlich,
dass erst ab mit einem Pressfaktor von 24 Sekunden pro mm Plattenstärke höhere
Querzugfestigkeiten erzielt werden mit denen die Vorgaben durch DIN erfüllt werden
können. Die mit steigender Presszeit ansteigenden Querzugfestigkeiten im Bereich von drei,
vier und fünf Minuten sind charakteristisch für das Weizenprotein. Dieses typische Merkmal
wird noch durch die Tatsache verstärkt, dass sich bei diesen MDF-Platten das Harnstoff-
Formaldehyd-Harz nur noch geringfügig auf die Querzugfestigkeiten auswirkt da es
mengenmäßig nur noch 25 Prozent des Mischkondensats ausmacht. Auch die Funktion des im
UF-Harz enthaltenen Formaldehyds als Crosslinker mit dem in der Weizenprotein-Suspension
enthaltenen Proteinen kann aufgrund des sehr geringen UF-Harz-Anteils im Mischkondensat
nur noch sehr begrenzt bis gar nicht mehr ablaufen. Daher sind die Querzugfestigkeiten
geringer als bei den anderen Mengenverhältnissen der Mischkondensate.
Die erzielten Quellwerte liegen mit 50,77 % (180 Sekunden), 63,28 % (240 Sekunden) und
63,77 % (300 Sekunden) alle über dem durch DIN geforderten Höchstwert von weniger als 15
Prozent. Dies ist durch die nur noch gering auftretende Hydrolysereaktion des UF-Harzes bei
zu langen Presszeiten und vor allem durch das typische Wasseraufnahmeverhalten von
Zuckern und Hemicellulosen im Weizenprotein bedingt.
Abschließend lässt sich über diese Serie der Variante III aussagen, dass eine Kombination der
beiden Bindemittelkomponenten Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF und der Weizenprotein-
Suspension im Mischungsverhältnis 25:75 ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln bei
dem verwendeten Beleimungsgrad von 12 % (atro Mischkondensat auf atro Faser) zur Zeit
nicht zur Herstellung von 10 mm starken MDF-Platten als Leimflotte geeignet ist, da die
Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung der hergestellten MDF-Platten deutlich über
dem vorgegebenen Wert von 15 Prozent liegen.
168 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen 10 mm starken MDF ohne Parrafine
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-36: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der unter Verwendung der
Hydrophobierungsmittel HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL hergestellten
mit dem UF/WP-Mischkondensat (25/75) gebundenen 10 mm starken Mitteldichten
Faserplatten sind in Abbildung 4-37 und Abbildung 4-38 dargestellt. Dabei zeigt sich bei
beiden Serien, das sowohl durch die Beimischung von 1 % HYDROWAX 138 als auch durch
die Zugabe 1 % HYDROWAX 730 zur Bindemittelflotte die Quellwerte der MDF-Platten nach
24 h Wasserlagerung nur bedingt verbessert werden können. Die unter Verwendung von
HYDROWAX 138 erzielten Quellwerte von 66,08 % (180 Sekunden), 54,01 % (249 Sekunden)
und 50,77 % (300 Sekunden) liegen alle weit über dem geforderten Höchstwert von ≤ 15
Prozent. Allerdings ist mit ansteigender Presszeit eine Verbesserung der hydrophoben
Eigenschaften der MDF-Platten ersichtlich. Das gleiche Verhalten zeigt sich bei der Zugabe
von HYDROWAX 730 zum Mischkondensat. Die Dickenquellwerte verbessern sich auch in
dieser Serie von 71,05 % (180 Sekunden) über 57,54 % (240 Sekunden) bis zu 47,25 % (300
Sekunden) mit steigendem Presszeitfaktor. Jedoch erfüllen auch die in dieser Serie erzielten
Quellwerte nicht die gültige DIN-Norm. Es ist weiterhin in diesen Serien festzustellen, dass
die verwendeten Paraffine sich anscheinend negativ auf die erzielten Querzugfestigkeiten
auswirken. Die mit HYDROWAX 138 gemessenen Querzugfestigkeiten von 0,65 N/mm² (180
Sekunden), 0,46 N/mm² (240 Sekunden) und 0,31 N/mm² (300 Sekunden) fallen deutlich mit
ansteigender Presszeit ab und erfüllen nur bei einem Presszeitfaktor von 18 Sekunden pro mm
Ergebnisse & Diskussion 169
Plattendicke die vorgegebenen DIN-Normen. Auch bei der Zugabe von 1 % HYDROWAX 730
zur Bindemittelflotte zeigte sich mit gemessenen Querzugfestigkeiten von 0,75 N/mm² (180
Sekunden), 0,61 N/mm² (240 Sekunden) und 0,47 N/mm² (300 Sekunden) ein ähnliches
Verhalten der MDF-Platten hinsichtlich ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften. Bei
der Betrachtung von Abbildung 4-37 und Abbildung 4-38 fällt auf, dass bei einem
Mengenverhältnis von 25:75 (UF/WP) im Mischkondensat die Verbesserung der Quellwerte
mit einer Verschlechterung der Querzugfestigkeiten zusammenhängt. Diese nicht unbekannte,
negative Auswirkung von Hydrophobierungsmitteln auf die Klebeigenschaften des
Bindemittels, ist in den Varianten I bis III erst bei einem Mischungsverhältnis von 25:75
(UF/WP) festzustellen.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 138
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nachDIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-37: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138
170 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 730
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
300 240 180
Presszeit (Sek.)
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeit nach DIN EN 319 (N/mm²) Dickenquellung nach DIN EN 317 (%)
Abbildung 4-38: Mechanisch-technologische Eigenschaften der UF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730
Bei Betrachtung der Formaldehydemissionen aus den mit Mischkondensaten, bestehend aus
UF-Harz und Weizenprotein, hergestellten Mitteldichten Faserplatten ist zu erkennen, dass
die Formaldehydemission mit den verwendeten Mischungsverhältnissen der beiden
Komponenten und den verwendeten Paraffinen HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa.
SASOL zusammenhängen (vgl. Abbildung 4-39). Es ist ersichtlich, dass bei der Verwendung
von Paraffinen in der Leimflotte die Formaldehydemissionen immer etwas höher sind,
vergleichen mit den Leimflotten eines Mischungsverhältnisses ohne Paraffin. Bei einer
Reduzierung des UF-Harz Anteils im Mischkondensat verringern sich natürlich auch die
Formaldehydemissionen prozentual, da von Anfang an weniger Formaldehyd, bei gleich
bleibendem Plattengewicht, eingesetzt wird. Vergleicht man diese Werte nun mit den
Formaldehydemissionen aus rein UF-Harz gebundenen, 10 mm starken Mitteldichten
Faserplatten (vgl. Abbildung 4-25), so sind die Formaldehydemissionen bei den verwendeten
Mischkondensaten grundsätzlich etwas geringer als die, unter Berücksichtigung der
eingesetzten Menge an Formaldehyd, erzielten Ergebnisse bei den rein UF-Harz gebundenen
MDF-Platten. Dies ist mit dem Einsatz des Weizenproteins zu erklären, da die im natürlichen
Bindemittel enthaltenen Proteine als Formaldehydfängersubstanz fungieren können. Der
Formaldehyd, der beim Heißpressen der Faserplatten nicht mit dem Harnstoff reagiert, wird
über chemische Prozesse durch die Einwirkung von Hitze und Druck von den Proteinen
gebunden (CERESTAR, 2004). Dies ist der bereits bei den Querzugfestigkeiten der mit UF/WP-
Ergebnisse & Diskussion 171
Mischkondensaten hergestellten Mitteldichten Faserplatten beschriebene „Crosslinking-
Effekt“ zwischen dem Formaldehyd und den Proteinen. Die deutlichste Reduzierung der
Formaldehydabgabe ist bei dem Mischungsverhältnis 50:50 feststellbar, da in diesem Fall
genügend Proteine und genügend Formaldehyd für diese Reaktion vorliegen. Aber auch bei
dem Verhältnis von UF zu WP von 75:25 sind Unterschiede hinsichtlich der
Formaldehydabgabe, verglichen mit den rein UF-Harz gebundenen Faserplatten, ersichtlich.
Das bedeutet, dass es bereits bei diesem Mischungsverhältnis zum „Crosslinking-Effekt“
zwischen dem Formaldehyd und den Proteinen kommt. Nur beim Verhältnis von UF zu WP
von 25:75 ist die nur gering erzielte Formaldehydreduzierung auf den von vorn herein
geringen Formaldehydgehalte des Mischkondensats zurückzuführen.
Formaldehydemissionen aus den 10 mm starken mit UF/WP Mischkondensaten gebundenen MDF-Platten
5,18 5,27 5,26
3,21 3,26 3,25
1,49 1,54 1,53
0
1
2
3
4
5
6
7
8
OhneParaff in
1 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
OhneParaff in
1 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
OhneParaffin
1 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
Mischkondensat 75/25 (UF/WP) Mischkondensat 50/50 (UF/WP) Mischkondensat 25/75 (UF/WP)
Form
alde
hyde
mis
sion
nac
h D
IN E
N 1
20
(mg
HC
HO
/100
g F
aser
plat
te)
Abbildung 4-39: Formaldehydemissionen aus den mit Mischkondensaten aus UF-Harz und WP hergestellten, 10 mm starken MDF-Platten nach der Perforator-Methode
Abschließend lässt sich über die Versuchsserien Variante I bis III aussagen, dass eine
Substitution des Harnstoff-Formaldehyd-Harzes Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF durch
die entwickelte Weizenprotein-Suspension zu 25 % bei der Herstellung von 10 mm starken
Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab realisieren lässt. Dabei ist die Zugabe von 1 %
HYDROWAX 138 der Fa. SASOL notwendig um die vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich
der Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung zu erfüllen. Die durch DIN vorgegebenen,
maximalen Formaldehydemissionen wurden in allen Fällen deutlich unterschritten. Die
172 Ergebnisse & Diskussion
höchsten Querzugfestigkeiten kombiniert mit sehr guten Quellwerten wurden bei einem
Presszeitfaktor von 18 Sekunden pro mm Plattendicke auf der Pilotheißpresse der Fa.
SIEMPELKAMP erzielt. Dabei stellt eine 25 %ige Substitution von Harnstoff-Formaldehyd-
Harz durch die Weizenprotein-Suspension einen bedeutenden Entwicklungsschritt dar, durch
den auch die späteren Formaldehydemissionen dieser Platten deutlich gesenkt werden können.
Die Verwendung dieses Mischkondensats ist eine wichtige Alternative zur effektiven
Senkung der Formaldehydemissionen aus Mittelichten Faserplatten und könnte im weiteren
Verlauf der anhaltenden aktuellen Formaldehyddiskussion eine entscheidende Rolle spielen.
Des Weiteren stellte sich bei den angefertigten Serien der Variante I bis III heraus, dass die
verwendeten Hydrophobierungsmittel HYDROWAX 138 und HYDROWAX 730 der Fa. SASOL,
je nach Mengenverhältnis der Komponenten UF-Harz und Weizenprotein im
Mischkondensat, sowohl die Querzugfestigkeiten als auch die Quellwerte der MDF-Platten
unterschiedlich beeinflussten. Bei dem zuerst untersuchten Mischungsverhältnis von 75:25
(UF/WP) unterstützten die Paraffine die Klebeeigenschaften des Mischkondensats bzw.
zeigten keinen negativen Einfluss auf die Querzugfestigkeiten und führten zusätzlich zu guten
Ergebnissen bei den Quellwerten. Beim Mischungsverhältnis von 50:50 (UF/WP) zeigte sich
durch die erzielten Ergebnisse ein anderes Bild. Die Querzugfestigkeiten haben sich
gegenüber dem zuerst verwendeten Mischungsverhältnis von 75:25 (UF/WP) nicht wesentlich
geändert, jedoch hatte keines der beiden verwendeten Paraffine einen positiven Einfluss auf
die Dickenquellwerte nach 24 h Wasserlagerung der mit diesem Mischkondensat (50/50)
hergestellten Mitteldichten Faserplatten. Beim Mischungsverhältnis von 25:75 (UF/WP)
zeigte sich der negative Einfluss der Hydrophobierungsmittel auf die Querzugfestigkeiten der
MDF-Platten mit ansteigender Presszeit. Es konnte zwar eine leichte hydrophobierende
Wirkung der beiden Paraffine festgestellt werden allerdings fielen die Querzugfestigkeiten der
mit diesem Mischkondensat und diesen Hydrophobierungsmitteln hergestellten MDF-Platten
mit einem Anstieg der Presszeiten deutlich ab.
Ergebnisse & Diskussion 173
4.2.4 Ergebnisse der PF-Harz/Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der im Rahmen dieser Dissertation
angefertigten Mitteldichten Faserplatten, gebunden mit Mischkondensaten aus Phenol-
Formaldehyd-Harz und Weizenprotein (vgl. Kapitel 3.2.5), sind in Abbildung 4-40 bis
Abbildung 4-48 dargestellt. Die Rohdichtermittlung der Faserplatten aus Variante I bis III
(vgl. Tabelle 3-11) ergab eine durchschnittliches Gewichts/Volumen-Verhältnis von 807
kg/m³. Die Platten liegen somit im Bereich der angestrebten Zielrohdichte von 800 kg/m³. Die
Dicke der Platten ergab einen Durchschnittswert von 9,56 mm, womit die theoretische Stärke
von 10 mm erreicht ist. Die graphischen Darstellungen sind sowohl im Hinblick auf die
einzelnen Varianten bezüglich der unterschiedlichen Mengenverhältnisse der
Bindemittelkomponenten als auch hinsichtlich der Zugabe der Paraffine HYDROWAX 138
bzw. HYDROWAX 730 zur Leimflotte unterteilt. Die Verwendung der drei unterschiedlichen
Presszeitfaktoren ist dabei immer pro Serie in den graphischen Darstellungen berücksichtigt.
Die graphischen Darstellungen beinhalten zur übersichtlicheren Darstellung nur die
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 und die Dickenquellwerte nach DIN EN 317 der
untersuchten Mitteldichten Faserplatten.
Bei der Betrachtung der mit dem PF/WP Mischkondensat im Verhältnis 75:25 ohne Zugabe
von Hydrophobierungsmitteln gebundenen 10 mm starken Mitteldichten Faserplatten (vgl.
Abbildung 4-40) fällt auf, dass die erzielten Querzugfestigkeiten von 0,91 N/mm² (180
Sekunden), 0,89 N/mm² (240 Sekunden) und 0,85 N/mm² (300 Sekunden) mit ansteigender
Presszeit etwas geringer werden, in allen Fällen jedoch die durch DIN geforderten 0,60
N/mm² bzgl. der Festigkeiten senkrecht zur Plattenebene grundsätzlich erfüllt werden. Die
leicht abfallenden Querzugfestigkeiten sind durch die längeren Presszeiten bedingt. Dabei
handelt es sich jedoch nur um einen leichten Rückgang der Querzugfestigkeiten. Die hohen
Querzugfestigkeiten beruhen zum einen auf dem erhöhten Anteil an Phenol-Formaldehyd-
Harz in der Leimflotte und zum anderen auf dem während des Heißpressvorgangs
stattfindendem „Crosslinking-Effekt“ zwischen den Proteinen in der Weizenprotein-
Suspension und dem Formaldehyd im PF-Harz (KRUG und SIRCH, 1998; CERESTAR, 2004).
Die Reaktion von Proteinen und Formaldehyd wurde auch bereits unter anderem von
KAMOUN et al. (1998) erforscht.
174 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen 10 mm starken MDF ohne Paraffine
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sekunden)
Que
rzug
fest
igke
iten
(N/m
m²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-40: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel
Die positiven Auswirkungen der längeren Presszeiten bei dem PF/WP gebundenen
Mitteldichten Faserplatten sind bei den sinkenden Dickenquellwerten nach 24 h
Wasserlagerung zu beobachten. Sie sinken von durchschnittlich 15,37 % (180 Sekunden) über
14,89 % auf 14,51 % ab und erfüllen bei einer Zugabe von 25 % Weizenprotein zum PF-Harz
bereits bei den Presszeitfaktoren 24 und 30 Sekunden pro Millimeter Plattendicke den durch
DIN vorgegebenen Maximalwert von 15 % bei einer Plattenstärke von 9 bis 12 mm. Die
längeren Presszeiten wirken sich wie eine thermische Nachbehandlung positiv auf die
Quellwerte der PF/WP gebundenen MDF-Platten aus; ähnlich wie es auch bereits bei den rein
PF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten (vgl. Kapitel 4.2.2) zu erkennen war.
Bei Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zur PF/WP Leimflotte im Verhältnis
75:25 ist zu erkennen, dass die Querzugfestigkeiten auch in dieser Serie mit ansteigender
Presszeit etwas schwächer werden (vgl. Abbildung 4-41) allerdings sind sie durchweg höher
als bei den ohne Paraffin hergestellten Platten. Die erzielten Werte von 1,03 N/mm², 0,94
N/mm² und 0,91 N/mm² liegen über dem Richtwert von 0,60 N/mm². Aufgrund der höheren
Querzugfestigkeiten ist davon auszugehen, dass das verwendete Hydrophobierungsmittel
HYDROWAX 138 in dieser Mischkondensatleimflotte die Festigkeiten der Platten unterstützt,
indem es sich möglicherweise positiv auf die Klebeigenschaften der in der Leimflotte
befindlichen Bindemittelkomponenten auswirkt.
Ergebnisse & Diskussion 175
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 138
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
300 240 180
Presszeit (Sekunden)
Que
rzug
fest
igke
iten
(N/m
m²)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-41: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138
Diese Auswirkung des Hydrophobierungsmittels war bereits auch bei den mit Harnstoff-
Formaldehyd-Harz und Weizenproteinen im Verhältnis 75:25 gebundenen MDF-Platten (vgl.
Kapitel 4.2.3) zu erkennen. Die Quellwerte der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten
liegen aufgrund der Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 zur Leimflotte mit 13,21 % (180
Sekunden), 11,34 % (240 Sekunden) und 10,07 % (300 Sekunden) deutlich unter dem
Richtwert von ≤ 15 %. Sie fallen mit steigender Presszeit weiter ab, was bereits auch bei den
PF/WP gebundenen MDF-Platten ohne Paraffinzugabe zu erkennen war.
Auch die Zugabe von 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL zum PF/WP Mischkondensat im
Mengenverhältnis 75:25 hat Auswirkungen auf die erzielten Querzugfestigkeiten und
Dickenquellwerte der mit dieser Leimflotte hergestellten Mitteldichten Faserplatten (vgl.
Abbildung 4-42). Die gemessenen Querzugfestigkeiten liegen mit Werten von 0,99 N/mm²
(180 Sekunden), 0,91 N/mm² (Sekunden) und 0,87 N/mm² (300 Sekunden) auch über den
Festigkeiten der ohne Zugabe von Paraffinen hergestellten MDF-Platten (vgl. dazu Abbildung
4-40). Daher lässt sich auch über dieses Hydrophobierungsmittel aussagen, dass es
möglicherweise die Klebeigenschaften des verwendeten PF/WP Mischkondensats im
Verhältnis 75:25 positiv beeinflusst hat. Auch die durch die Zugabe von 1 % HYDROWAX 730
erzielten Quellwerte nach 24 h Wasserlagerung der MDF-Platten liegen mit Werten von 13,93
% (180 Sekunden), 11,78 % (240 Sekunden) und 10,41 % (300 Sekunden) unter dem
Maximalwert von 15 %.
176 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 730
0,00
0,20
0,40
0,60
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Presszeit (Sekunden)
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fest
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m²)
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30,00
40,00
50,00
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h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-42: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (75/25) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730
Durch die Änderung des Mengenverhältnisses der beiden Leimflottenkomponenten Phenol-
Formaldehyd-Harz und Weizenprotein von 75:25 in 50:50 können Auswirkungen des
erhöhten Weizenproteingehaltes an den mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit
diesem Mischkondensat gebundenen MDF-Platten beobachtet werden. Die mit dem PF/WP-
Mischkondensat (50/50) ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln gebundenen
Mitteldichten Faserplatten weisen, wie in Abbildung 4-43 zu erkennen durchschnittliche
Querzugfestigkeiten von 0,87 N/mm² (180 Sekunden), 0,81 N/mm² (240 Sekunden) und 0,74
N/mm² (300 Sekunden) auf. Sie liegen vermutlich aufgrund des erhöhten
Weizenproteingehaltes unter den Festigkeiten der mit PF/WP Mischkondensaten im
Verhältnis 75:25 hergestellten MDF-Platten, erfüllen aber den Mindestwert von 0,60 N/mm².
Die Ergebnisse des Quelltests dieser MDF-Platten nach 24 h Wasserlagerung liegen mit
Werten von 20,75 % (180 Sekunden), 19,53 % (240 Sekunden) und 19,13 % (300 Sekunden)
nur gering über dem durch DIN geforderten Höchstwert von 15 Prozent. Dies lässt sich mit
dem erhöhten Anteil an Weizenprotein und der damit verbundenen höheren Menge an
Zuckern und Hemicellulosen in der Leimflotte begründen. Allerdings ist auch bei dieser Serie
feststellbar, dass die Quellwerte mit steigender Presszeit geringer werden.
Ergebnisse & Diskussion 177
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen 10 mm starken MDF ohne Paraffine
0,00
0,20
0,40
0,60
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Presszeit (Sekunden)
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(N/m
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h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-43: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel
Durch die Beimischung von 1 % HYDROWAX 138 der Fa. SASOL zur PF/WP Mischkondensat
Leimflotte (50/50) können die Quellwerte der damit gebundenen Mitteldichten Faserplatten
nach 24 h Wasserlagerung nur gering verbessert werden (vgl. Abbildung 4-44). Quellwerte
von 19,01 % (180 Sekunden), 18,32 % (240 Sekunden) und 17,89 % lassen kaum die Zugabe
eines Hydrophobierungsmittels erkennen. Durch das geänderte Mischungsverhältnis der
beiden Bindemittelkomponenten PF-Harz und Weizenprotein wird die hydrophobierende
Eigenschaft des Paraffins beim Heißpressvorgang nahezu vollständig unterbunden. Auch der
bei dem mit Mischungsverhältnissen von 75:25 (PF/WP) hergestellten MDF-Platten im
Pilotmaßstab erkennbare positive Einfluss des Hydrophobierungsmittels auf die
Querzugfestigkeiten fällt bei dem Mischungsverhältnis von 50:50 (PF/WP) nicht so deutlich
aus. Die durchschnittlichen Querzugfestigkeiten dieser Serie liegen mit 0,91 N/mm² (180
Sekunden), 0,86 N/mm² (240 Sekunden) und 0,77 N/mm² (300 Sekunden) immer noch weit
über dem geforderten Mindestwert von 0,60 N/mm², sind jedoch verglichen mit den
Ergebnissen der mit PF/WP Mischkondensaten im Verhältnis 75:25 und HYDROWAX 138
hergestellten MDF-Platten (vgl. Abbildung 4-41) geringer.
178 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 138
0,00
0,20
0,40
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Presszeit (Sekunden)
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m²)
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Que
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h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-44: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138
Auch bei der Zugabe von 1 % HYDROWAX 730 zur PF/WP Mischkondensat (50/50) zeigt sich
ein ähnliches Bild wie bei der bereits beschriebenen Serie mit 1 % HYDROWAX 138. Auch
durch das Paraffin HYDROWAX 730 konnten die Quellwerte der Mitteldichten Faserplatten
nicht wesentlich gesenkt werden. Bei Quellwerten von 19,36 % (180 Sekunden), 18,67 %
(240 Sekunden) und 17,93 % zeigt sich kein deutlicher Unterschied zu den Quellwerten der
angefertigten Serie ohne Paraffine (vgl. Abbildung 4-43). Das Hydrophobierungsmittel
HYDROWAX 730 der Fa. SASOL kann auch bei diesem PF/WP Mischkondensat im Verhältnis
50:50 keine signifikanten Verbesserungen hinsichtlich des Quellverhaltens der hergestellten
Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab erzielen. Die gemessenen Dickenquellwerte nach
24 h Wasserlagerung liegen trotz der Zugabe von Paraffinen geringfügig über dem vom
DEUTSCHEN INSTITUT FÜR NORMUNG e. V. festgesetzten Höchstwert von ≤ 15 %.
Ergebnisse & Diskussion 179
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 730
0,00
0,20
0,40
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Presszeit (Sekunden)
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Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-45: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (50/50) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730
Ändert man das Mengenverhältnis der Komponenten Phenol-Formaldehyd-Harz und
Weizenprotein in 25:75 so zeigt sich dies in deutlich erhöhten Quellwerten und geringeren
Querzugfestigkeiten der damit hergestellten Mitteldichten Faserplatten im Vergleich zu
Mischkondensaten in anderen Mengenverhältnissen. Bei der Verwendung der PF/WP
Mischkondensats im Verhältnis 25:75 ohne Zugabe von Hydrophobierungsmitteln werden
durchschnittliche Querzugfestigkeiten von 0,65 N/mm² (180 Sekunden), 0,68 N/mm² (240
Sekunden) und 0,67 N/mm² bei den mit dieser Leimflotte gebundenen MDF-Platten erzielt
(vgl. Abbildung 4-46). Es ist keine deutliche Erhöhung der Querzugfestigkeiten mit
steigender Presszeit feststellbar, wie es bei den anderen PF/WP Mischkondensat (75/25 und
50/50) gebundenen Mitteldichten Faserplatten der Fall ist. Dies ist vermutlich im geringeren
Anteil an Formaldehyd in der Leimflotte und dem dadurch nur noch im geringen Umfang
stattfindenden „Crosslinking-Effekt“ zwischen den Proteinen und dem Formaldehyd
begründet (CERESTAR, 2004). Auch die gemessenen Quellwerte liegen aufgrund des erhöhten
Weizenproteinanteils in der Leimflotte mit durchschnittlichen Werten von 41,74 % (180
Sekunden), 44,91 % (240 Sekunden) sowie 45,26 % (300 Sekunden) deutlich über den
maximal erlaubten 15 Prozent.
180 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen 10 mm starken MDF ohne Paraffine
0,00
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Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-46: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel
Auch durch die Verwendung von 1 % HYDROWAX 138 der Fa. SASOL im PF/WP
Mischkondensat (25/75) lassen sich die Quelleigenschaften der mit dieser Leimflotte
hergestellten Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab nicht wesentlich verbessern (vgl.
Abbildung 4-47). Die erzielten Werte von 46,41 % (180 Sekunden), 41,63 % (240 Sekunden)
sowie 39,87 % (300 Sekunden) zeigen, dass die hydrophoben Eigenschaften des verwendeten
Paraffins bei den mechanisch-technologischen Eigenschaften der MDF-Platten dieser Serie
nicht zum Tragen kommen. Aufgrund des Mischungsverhältnisses der beiden
Bindemittelkomponenten wird die Wirkungsweise des Paraffins unterbunden und die
Quellwerte dieser MDF-Platten liegen deutlich über den geforderten maximalen 15 %. Die
Querzugfestigkeiten der Mitteldichten Faserplatten in dieser Serie liegen mit Werten von
durchschnittlich 0,66 N/mm² (180 Sekunden), 0,61 N/mm² (240 Sekunden) und 0,53 N/mm²
nur noch bei den Pressfaktoren 18 und 24 Sekunden pro mm Plattendicke über den durch DIN
geforderten 0,60 N/mm². Der Einsatz der Hydrophobierungsmittel HYDROWAX 138 und
HYDROWAX 730 hat bei den Mischkondensat gebundenen Mitteldichten Faserplatten dieser
Variante offensichtlich sogar einen negativen Einfluss auf die Querzugfestigkeiten der
Holzwerkstoffe (vgl. Abbildung 4-47).
Ergebnisse & Diskussion 181
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 138
0,00
0,20
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Presszeit (Sekunden)
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m²)
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)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-47: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 138
Bei Zugabe von 1 % HYDROWAX 730 der Fa. SASOL zum PF/WP Mischkondensat ändern
sich die mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit dieser Leimflotte angefertigten
MDF-Platten im Pilotmaßstab nicht wesentlich (vgl. Abbildung 4-48), verglichen mit den
Ergebnissen der ohne Hydrophobierungsmittel hergestellten PF/WP Mischkondensat (25/75)
gebundenen Mitteldichten Faserplatten (vgl. Abbildung 4-46). Die durchschnittlichen
Querzugfestigkeiten fallen mit ansteigender Presszeit deutlich von 0,71 N/mm² (180
Sekunden) über 0,59 N/mm² auf 0,53 N/mm² ab und liegen mit Ausnahme der mit einem
Pressfaktor von 18 Sekunden pro mm Plattestärke hergestellten Mitteldichten Faserplatten im
Pilotmaßstab unter den geforderten 0,60 N/mm². Auch kommt es in diesem Fall vermutlich
aufgrund des geringeren Formaldehydgehaltes in dieser Leimflotte nur noch zu sehr wenigen
Verbindungen zwischen den Proteinen im Weizenprotein und dem Formaldehyd im PF-Harz
während des Heißpressvorgangs. Die Quellwerte der mit 1 % HYDROWAX 730 und diesem
Mischkondensat hergestellten MDF-Platten liegen mit durchschnittlich 48,06 % (180
Sekunden), 47,09 % (240 Sekunden) und 40,86 % einerseits sehr eng beieinander,
andererseits aber auch deutlich über der maximal erlaubten Quellung von 15 %. Auch in
dieser Serie ist zu erkennen, dass die hydrophobierende Wirkung des verwendeten Paraffins
in Kombination mit diesem Mischkondensat nicht zum Tragen kommt.
182 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen 10 mm starken MDF mit 1 % HydroWax 730
0,00
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300 240 180
Presszeit (Sekunden)
Que
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(N/m
m²)
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Que
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)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellung nach DIN EN 317
Abbildung 4-48: Mechanisch-technologische Eigenschaften der PF/WP (25/75) gebundenen MDF-Platten mit 1 % HYDROWAX 730
Bei Betrachtung der nach der Perforator-Methode (DIN EN 120) ermittelten
Formaldehydemissionen aus den mit Mischkondensaten auf PF-Harz und Weizenprotein
hergestellten Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab fällt auf, dass auch in diesen
Varianten die Formaldehydabgabe mit der Menge des verwendeten PF-Harzes in der
Leimflotte korreliert ist (vgl. Abbildung 4-49). Dabei werden bei den PF/WP
Mischkondensaten im Verhältnis 75:25 durchschnittlich 4,52 mg HCHO Emissionen pro 100
g Werkstoff gemessen. Dabei ist, verglichen mit den Perforatorwerten der rein mit PF-Harz
gebundenen Mitteldichten Faserplatten (vgl. Abbildung 4-29) eine Differenz hinsichtlich der
HCHO Emissionen von 1,6 mg HCHO pro 100 g Faserplatte feststellbar. Durch die
Verwendung von Hydrophobierungsmitteln zeigt sich an den gemessenen Werten von
durchschnittlich 4,61 mg HCHO pro 100 g Faserplatten eine leicht erhöhte
Formaldehydemission aus den Werkstoffen bei diesem Mischkondensat. Verringert man die
Menge an Phenol-Formaldehyd-Harz in der Leimflotte so zeigt sich bei den PF/WP
Mischkondensaten 50:50 und 25:75 ein weiterer Rückgang der Formaldehydemissionen.
Allerdings ist auch bei diesem Mischkondensaten zu erkennen, dass durch die Verwendung
von Paraffinen in der Leimflotte die Formaldehydemissionen etwas höher liegen. Dies liegt
vermutlich daran, dass aufgrund der Paraffine die Reaktion zwischen dem Formaldehyd und
dem Phenol beim Heißpressvorgang in geringem Umfang negativ beeinflusst wird.
Ergebnisse & Diskussion 183
Formaldehydemissionen aus den 10 mm starken mit PF/WP Mischkondensaten gebundenen MDF-Platten
4,52 4,61 4,61
3,02 3,11 3,12
1,47 1,53 1,52
0
1
2
3
4
5
6
7
8
OhneParaff in
1 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
OhneParaffin
1 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
OhneParaffin
1 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
Mischkondensat 75/25 (PF/WP) Mischkondensat 50/50 (PF/WP) Mischkondensat 25/75 (PF/WP)
Form
alde
hyde
mis
sion
nac
h D
IN E
N 1
20
(mg
HC
HO
/100
g F
aser
plat
te)
Abbildung 4-49: Formaldehydemissionen aus den mit Mischkondensaten aus PF-Harz und WP hergestellten, 10 mm starken MDF-Platten nach der Perforator-Methode
Abschließend lässt sich aufgrund der erzielten Ergebnisse zur Verwendung von
Mischkondensaten, bestehend aus PF-Harz und der entwickelten Weizenprotein-Suspension
in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen aussagen, dass die besten mechanisch-
technologischen Resultate bei einem Mengenverhältnis der Komponenten PF-Harz zu
Weizenprotein von 75:25 unter Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 zur Leimflotte erzielt
wurden. Dies zeigte sich auch bereits in den von KRUG und SIRCH (1998) und KRUG (2003)
erzielten Ergebnissen bei der Substitution von 25 % PF-Harz durch Weizenproteine. Der
optimale Presszeitfaktor, bei den im Rahmen dieser Dissertation mit PF/WP
Mischkondensaten (75/25) durchgeführten Versuche, betrug hinsichtlich optimaler
Querzugfestigkeiten 18 Sekunden pro mm Plattenstärke. Die besten Quellwerte konnten unter
Verwendung dieser Leimflotte bei 30 Sekunden pro mm Plattendicke erzielt werden. Auch
die ermittelten Formaldehydabgaben, gemessen nach der Perforator-Methode, der mit diesem
Mischkondensat gebundenen MDF-Platten erfüllten die vorgegebnen Mindestanforderungen
deutlich. Die von KRUG und HEEP (2006) erzielten Formaldehydemissionen von 0,32 mg
/100g bis 0,53 mg/100 g aus PF-Protein-Hybrid gebundenen Spanplatten konnten bei diesen
Versuchen nicht erzielt werden., da auch bei diesen Varianten die Presstemperaturen zu
gering waren, um ein vollständiges Ausreagieren des Bindemittels zu bewirken.
184 Ergebnisse & Diskussion
4.2.5 Ergebnisse der mit Weizenprotein hergestellten Mitteldichten Faserplatten
Die Parameter zur Anfertigung der Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
sind mit den Parametern zur Herstellung der mit Harnstoff-, Phenol-Formaldehyd-Harz und
Mischkondensaten gebundenen Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab (vgl. dazu Kapitel
3.2.2 bis 3.2.5) zu großen Teilen vergleichbar. Ein Unterschied ist jedoch bei der verwendeten
Presszeit zum Heißpressen der Weizenprotein gebundenen MDF-Platten ohne Zugabe von
Hydrophobierungsmitteln zu erkennen. Verglichen mit den UF-Harz-Platten (vgl. Kapitel
3.2.2), bei denen ausschließlich ein Presszeitfaktor von 18 Sekunden pro mm Plattendicke
verwendet wurde, werden die Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
ausschließlich mit einem Presszeitfaktor von 24 Sekunden pro mm Plattenstärke in der
Heißpresse verpresst. Dies ist in den vor Projektbeginn durchgeführten Versuchen zur
Presszeitoptimierung Weizenprotein gebundener Mitteldichter Faserplatten begründet (vgl.
Abbildung 4-50).
Presszeitoptimierung bei 10 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
0,45
0,680,61
55,37
92,34
66,12
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
300 240 180
Presszeit (Sekunden)
Que
rzug
fest
igke
iten
(N/m
m²)
0
20
40
60
80
100
120
Que
llwer
te n
ach
24 h
W
asse
rlage
rung
(%)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-50: Presszeitoptimierung bei 10 mm starken mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab (SCHÖPPER, 2003)
Dabei zeigte sich, dass bei einer Presszeit von 24 Sekunden pro mm die besten mechanisch-
technologischen Eigenschaften hinsichtlich der Querzugfestigkeiten bei Weizenprotein
gebundenen MDF-Platten im Pilotmaßstab erzielt werden konnten. Bei Verwendung dieses
Presszeitfaktors werden die Proteine in der entwickelten Weizenprotein-Suspension durch die
aufgrund der hohen Temperatur entstehende thermische Reaktion, in eine unlösliche Form
Ergebnisse & Diskussion 185
umgewandelt (KRUG, 2001a). Die Querzugfestigkeiten betragen 0,68 N/mm², die Quellwerte
der im Rahmen dieser Presszeitoptimierung hergestellten MDF-Platten ergaben einen
durchschnittlichen Wert von 66,12 %. Durch eine Erhöhung des Presszeitfaktors auf 30
Sekunden pro mm Plattendicke stellte sich heraus, dass damit einerseits wesentlich geringere
Querzugfestigkeiten (0,45 N/mm²) aber auch andererseits niedrigere Dickenquellwerte (55,37
%) korreliert waren. Bei einem Presszeitfaktor von 18 Sekunden pro mm Plattendicke zeigte
sich, dass die Querzugfestigkeiten dieser Mitteldichten Faserplatten im Vergleich zu denen
mit einem Presszeitfaktor von 24 Sekunden pro mm Plattendicke hergestellten MDF-Platten
niedriger (0,61 N/mm²), die Quellwerte hingegen mit 92,34 % wesentlicher höher waren
(SCHÖPPER, 2003).
Dies zeigt sich auch bei der Betrachtung des Temperaturverlaufs während des
Heißpressvorgangs in der Mitte einer 10 mm starken, ausschließlich mit Weizenprotein
gebundenen MDF-Platte, dargestellt in Abbildung 4-51. Es ist bei der Temperaturkurve zu
erkennen, dass bei einer verwendeten Presstemperatur von 195 °C innerhalb der ersten 80
Sekunden des Heißpressvorgangs eine Temperatur von ca. 138,5 °C in der Plattenmitte der 10
mm starken MDF-Platte aufgrund des in der Platte enthaltenen Wassers erreicht wird. Diese
Temperatur steigt im weiteren Pressverlauf nur noch gering auf 140,5 °C nach 300 Sekunden
Pressdauer an, da ein Großteil des Wassers bereits verdampft ist und das Fasermaterial die
Hitze nicht effektiv in die Plattenmitte transportieren kann. Aufgrund dieser Tatsachen kann
die Temperatur in der Plattenmitte nur noch um 2 °C gesteigert werden. Dabei wird deutlich,
dass bereits nach 180 Sekunden Presszeit (18 Sekunden/mm Plattendicke) das Bindemittel
soweit ausreagiert ist, dass bereits gute Querzugfestigkeiten erzielt werden können. Die
Verlängerung der Presszeit von 180 Sekunden auf 240 Sekunden (24 Sekunden/mm
Plattendicke) bewirkt auf der einen Seite eine leichte Erhöhung der Querzugfestigkeiten, auf
der anderer Seite wirkt es sich auch positiv in Form geringerer Quellwerte aus. Nach 300
Sekunden steigt die Temperatur auf 140,5 °C an; bei diesen Weizenprotein gebundenen
MDF-Platten wurden einerseits deutlich schlechtere Querzugfestigkeiten jedoch andererseits
auch geringere Quellwerte nach 24 h Wasserlagerung ermittelt (SCHÖPPER, 2003). Die
Änderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften bei den 300 Sekunden lang
gepressten Weizenprotein gebundenen MDF-Platten ist vermutlich auf den Temperaturanstieg
auf über 140 °C im Werkstoff zurückzuführen. Die Verbesserung der Quellwerte der
Weizenprotein gebundenen MDF-Platten liegt vermutlich an den im Weizenprotein
enthaltenen mehrwertigen Zuckern. Der Anstieg der Temperatur in der Mitteldichten
Faserplatte beim Heißpressvorgang auf über 140 °C bewirkt aller Wahrscheinlichkeit nach,
186 Ergebnisse & Diskussion
dass die Zucker karamellisieren und sie damit weniger Wasser bei dem späteren Quelltest
aufnehmen können. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde bei der Herstellung aller im Rahmen
dieser Dissertation angefertigten Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten im
Pilotmaßstab ein Presszeitfaktor von 24 Sekunden pro mm Plattendicke beim
Heißpressvorgang in der Presse der Fa. SIEMPELKAMP verwendet. Die Querzugfestigkeiten
sind hierbei der entscheidende Grund für diesen Presszeitfaktor, da eine Reduzierung der
Quellwerte der Mitteldichten Faserplatten durch die Zugabe geeigneter
Hydrophobierungsmittel zur Leimflotte bewirkt werden soll.
Temperaturmessung in der Plattenmitte einer 10 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platte während des Heißpressvorgangs in der Pilotheißpresse der Fa. Siempelkamp
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Zeit (s)
Tem
pera
tur
(°C)
Abbildung 4-51: Temperaturverlauf in der Plattenmitte einer 10 mm starken mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platte während des Heißpressens in der Pilotpresse der Fa. SIEMPELKAMP (SCHÖPPER, 2003)
Die 30 Weizenprotein gebundenen 4 mm starken Mitteldichten Faserplatten der Variante I
weisen eine durchschnittliche Rohdichte von 796 kg/m³ auf und liegen somit im Bereich der
angestrebten Zielrohdichte von 800 kg/m³. Es konnte ein Mittelwert basierend auf den
praktisch gemessenen Werkstoffstärken von 3,47 mm errechnet werden.
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften, d.h. die Querzugfestigkeiten und die
Dickenquellwerte, der 4 mm starken mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten der Variante I (vgl. Tabelle 3-13) sind in Abbildung 4-52 graphisch dargestellt.
Dabei werden die Platten hinsichtlich der verwendeten Hydrophobierungsmittel
unterschieden. Die Platten weisen in den angefertigten Serien Querzugfestigkeiten von 0,81
Ergebnisse & Diskussion 187
N/mm² (ohne Paraffin), 0,75 N/mm² (1 % HYDROWAX 138), 0,68 N/mm² (2 % HYDROWAX
138), 0,70 N/mm² (1 % HYDROWAX 730), 0,72 N/mm² (2 % HYDROWAX 730) und 0,79
N/mm² (2 % Typ I) auf. Es ist festzustellen, dass durch die Zugabe von
Hydrophobierungsmitteln zur Leimflotte die Festigkeiten in allen Fällen gesenkt werden, die
Festigkeiten aller 4 mm starken rein Protein gebundenen MDF-Platten jedoch über dem vom
DIN geforderten Mindestwert von 0,65 N/mm² (vgl. Tabelle 3-18) liegen. Somit hat eine
ausreichende Denaturierung und Vernetzung der Proteine (KAMOUN et al., 1998; KRUG,
2001a) in der Weizenprotein-Suspension unter den verwendeten Pressbedingungen während
des Heißpressens stattgefunden.
Die erzielten Quellwerte fallen hinsichtlich der verwendeten Hydrophobierungsmittel
unterschiedlich aus. Dabei ergaben sich Werte von 49,59 % (ohne Paraffin), 31,73 % (1 %
HYDROWAX 138), 37,25 % (2 % HYDROWAX 138), 42,12 % (1 % HYDROWAX 730), 39,61 %
(2 % HYDROWAX 730) und 21,39 % (2 % Typ I). Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass
die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln in allen Serien eine Reduzierung der
Wasseraufnahme durch die MDF-Platten zur Folge hat. Durch Zugabe von 1 % HYDROWAX
138 bzw. von 2 % Typ I zum Weizenprotein wird der durch DIN geforderte Maximalwert von
35 % für Platten dieser Stärke unterschritten.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraff in 1 %HydroWax
138
2 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
2 %HydroWax
730
2 % Typ I
Serie
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00Q
uellu
ng n
ach
24 h
(%)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-52: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 4 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
188 Ergebnisse & Diskussion
Die Erhöhung der Hydrophobierungsmittel von 1 % auf 2 % hatte nicht grundsätzlich bessere
Quellwerte zur Folge. Im Falle von HYDROWAX 730 ist bei Erhöhung des Paraffinanteils eine
leichte Verbesserung der Quellwerte festzustellen. Im Falle von HYDROWAX 138 werden
durch die Erhöhung des Paraffins sowohl die Querzugfestigkeiten als auch die
Dickenquellwerte negativ beeinflusst. Daraus ist zu schließen, dass sich die Zugabe von
HYDROWAX 138 vermutlich sowohl auf die Denaturierung der Proteine als auch auf die
Karamellisierung der Zucker negativ auswirkt Die besten mechanisch-technologischen
Eigenschaften werden durch die Zugabe von 2 % Typ I zum Weizenprotein erzielt. Unter
Verwendung dieser Leimflotte, wie auch durch Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 lassen sich
4 mm starke rein Weizenprotein gebundenen MDF-Platten im Pilotmaßstab herstellen, mit
denen die vorgegebenen Anforderungen durch DIN erfüllt werden.
Die Variante II der Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten (vgl. Tabelle 3-13)
besteht aus 30 Platten mit einer durchschnittlichen Rohdichte von 804 kg/m³ und einer
praktischen Plattenstärke von 5,49 mm. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der
MDF-Platten aus Variante II sind in Abbildung 4-53 dargestellt. Dabei wurden
Querzugfestigkeiten von 0,77 N/mm² (ohne Paraffin), 0,68 N/mm² (1 % HYDROWAX 138),
0,63 N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,65 N/mm² (1 % HYDROWAX 730), 0,68 N/mm² (2 %
HYDROWAX 730) und 0,74 N/mm² (2 % Typ I) erzielt. Die vorgegebene Mindestfestigkeit
von 0,65 N/mm² für Platten dieser Stärke durch DIN wird mit einer Ausnahme in allen Serien
erfüllt. Auch bei diesen Platten zeigt sich, dass sich die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln
in unterschiedlichen Mengen bei allen angefertigten Mitteldichten Faserplatten negativ auf die
Querzugfestigkeiten auswirkt. Im Falle einer 2 %igen Zugabe von HYDROWAX 138 zur
Proteinleimflotte werden die Querzugfestigkeiten der Mitteldichten Faserplatten soweit
gesenkt, dass die Mindestanforderungen hinsichtlich der Festigkeiten nicht mehr erfüllt
werden. Die Quellwerte dieser 6 mm starken Protein gebundenen MDF-Platten variieren je
nach verwendetem Hydrophobierungsmittel. Es wurden Werte von 50,55 % (ohne Paraffin),
29,17 % (1 % HYDROWAX 138), 34,86 % (2 % HYDROWAX 138), 41,29 % (1 % HYDROWAX
730), 38,71 % (2 % HYDROWAX 730) und 21,93 % (2 % Typ I) ermittelt. Dabei fällt auf, dass
bei einer 1 %igen Zugabe von HYDROWAX 138 bzw. bei der 2 %igen Zugabe des
Hydrophobierungsmittels Typ I zur Weizenproteinleimflotte der geforderte Maximalquellwert
von 30 % für diese Plattenstärke unterschritten wurde. Auch bei diesen Serien zeigte sich,
dass die Erhöhung der Hydrophobierungsmittelanteile nicht immer mit besseren Quellwerten
korreliert ist. Durch die Erhöhung des Hydrophobierungsmittels HYDROWAX 138 von 1 % auf
Ergebnisse & Diskussion 189
2 % verschlechterten sich die Querzugfestigkeiten und die Quellwerte der Weizenprotein
gebundenen MDF-Platten.
Aufgrund dieser Ergebnisse kann festgestellt werden, dass durch die Zugabe von 1 %
HYDROWAX 138 bzw. 2 % Typ I zum Weizenprotein der Fa. CERESTAR rein Protein
gebundene Mitteldichte Faserplatten in einer Stärke von 6 mm im Pilotmaßstab hergestellt
werden können, die hinsichtlich ihrer Festigkeiten und Quellwerte die von DIN
vorgeschriebenen Anforderungen erfüllen. Bei dieser Plattenstärke sind der Pressdruck und
die Presstemperatur ausreichend, um eine gute Vernetzung der Proteine unter Druck und
Hitze zu bewirken (NUHN, 1997; KRUG 2001a).
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 6 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraffin 1 %HydroWax
138
2 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
2 %HydroWax
730
2 % Typ I
Serie
Que
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fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
Que
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nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-53: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 6 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
In Abbildung 4-54 sind die Eigenschaften der 30 im Rahmen dieser Dissertation angefertigten
8 mm starken mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platten unter Verwendung
unterschiedlicher Hydrophobierungsmittel graphisch dargestellt (vgl. Tabelle 3-13). Diese
Mitteldichten Faserplatten erfüllen mit einer durchschnittlichen Rohdichte von 795 kg/m³ und
einer praktischen Stärke von 7,52 mm sowohl die Zielrohdichte als auch die vorgegebenen
Zielstärke (vgl. Tabelle 3-13). Die Querzugfestigkeiten dieser Protein gebundenen MDF-
Platten bewegen sich durchschnittlich zwischen 0,71 N/mm² (ohne Paraffin), 0,67 N/mm² (1
% HYDROWAX 138), 0,61 N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,62 N/mm² (1 % HYDROWAX
730), 0,66 N/mm² (2 % HYDROWAX 730) und 0,73 N/mm² (2 % Typ I). Durch Zugabe von 2
190 Ergebnisse & Diskussion
% HYDROWAX 138 bzw. 1 % HYDROWAX 730 zur Weizenproteinleimflotte werden die
geforderten Mindestfestigkeiten von 0,65 N/mm² für Platten dieser Stärke leicht
unterschritten. Die gemessenen Quellwerte von 69,27 % (ohne Paraffin), 33,60 % (1 %
HYDROWAX 138), 59,64 % (2 % HYDROWAX 138), 65,83 % (1 % HYDROWAX 730), 51,22 %
(2 % HYDROWAX 730) und 25,81 % (2 % Typ I) unterscheiden sich deutlich von den
Quellwerten der dünneren Protein gebundenen Mitteldichten Faserplatten in den Stärken 4
mm und 6 mm. Dies ist möglicherweise auf den höheren Gehalt an Weizenprotein, bedingt
durch die höhere Einwaage an beleimtem Fasermaterial gegenüber dünneren Platten, sowie in
leicht geringeren Temperaturen in der Plattenmitte während des Heißpressvorgangs aufgrund
der erhöhten Plattendicke begründet. Durch die Erhöhung des beleimten Fasermaterials erhöht
sich auch der Gehalt an mehrwertigen Zuckern und Hemicellulosen in der MDF-Platten.
Diese Zucker und Hemicellulosen beeinflussen das Quellverhalten der MDF-Platten
erheblich. Durch geringere Temperaturen gegenüber dünneren Platten kommt es nicht mehr
so schnell zum Karamellisieren der Zucker und dadurch können diese Zucker in den MDF-
Platten später mehr Wasser aufnehmen. Bei den Serien dieser Variante III der Weizenprotein
gebundenen MDF-Platten konnte gezeigt werden, dass sich unter Verwendung der reinen
Weizenprotein-Suspension Querzugfestigkeiten erzielen ließen, die über den geforderten 0,65
N/mm² liegen. Die besten Quellwerte konnten auch in dieser Variante nicht mit den
konventionellen Paraffinen sondern mit dem Hydrophobierungsmittel auf SiO2-Basis in
Kombination mit dem Weizenprotein erzielt werden.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 8 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
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1,00
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Ohne Paraffin 1 %HydroWax
138
2 %HydroWax
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1 %HydroWax
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2 %HydroWax
730
2 % Typ I
Serie
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²)
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Que
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h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-54: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 8 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Ergebnisse & Diskussion 191
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der 30 Weizenprotein gebundenen 10 mm
starken Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab der Variante IV (vgl. Tabelle 3-14) sind in
Abbildung 4-55 aufgeführt. Aus dem Umfang dieser 30 Weizenprotein gebundenen MDF-
Platten konnte eine durchschnittliche Rohdichte von 799 kg/m³ berechnet werden; die
praktische Plattenstärke liegt im Mittel bei 9,51 mm. Es wurden Querzugfestigkeiten von
durchschnittlich 0,79 N/mm² (ohne Paraffin), 0,71 N/mm² (1 % HYDROWAX 138), 0,61
N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,57 N/mm² (1 % HYDROWAX 730), 0,64 N/mm² (2 %
HYDROWAX 730) und 0,69 N/mm² (2 % Typ I) bei diesen 10 mm starken Weizenprotein
gebundenen MDF-Platten gemessen. Dabei zeigt sich, dass mit Ausnahme der 2 %igen
Zugabe von HYDROWAX 138 sowie der 1 %igen Zugabe von HYDROWAX 730, die
Querzugfestigkeiten dieser Protein gebundenen MDF-Platten über dem für Platten dieser
Stärke festgelegten Mindestwert von 0,60 N/mm² liegen. Die Quellwerte der 10 mm starken
Protein gebundenen MDF-Platten lagen zwischen 94,13 % (ohne Paraffin), 46,92 % (1 %
HYDROWAX 138), 76,38 % (2 % HYDROWAX 138), 81,25 % (1 % HYDROWAX 730), 66,92 %
(2 % HYDROWAX 730) und 32,24 % (2 % Typ I).
Bei Betrachtung dieser Ergebnisse fällt auf, dass die verwendeten Hydrophobierungsmittel die
Quellwerte der Weizenprotein gebundenen MDF-Platten einerseits noch senken, diese Werte
jedoch deutlich über dem vorgegebenen Mindestwert von 15 % bei dieser Plattenstärke
liegen. Auffallend aber ist, dass die Funktion der Hydrophobierungsmittel nicht aufgehoben
wird, wie beispielsweise bei den 10 mm starken mit Mischkondensaten hergestellten MDF-
Platten (vgl. dazu Kapitel 4.2.3 und Kapitel 4.2.4). Auch bei den 10 mm starken
Weizenprotein gebundenen MDF-Platten der Variante IV ist zu erkennen, dass sich sowohl
die grundsätzliche Paraffinzugabe als auch die Erhöhung der Paraffindosis in der Leimflotte
negativ auf die erzielten Querzugfestigkeiten der Platten auswirken. Eine Ausnahme ist
hierbei das HYDROWAX 730, bei dem sich die Querzugfestigkeiten wie auch die
Dickenquellwerte der MDF-Platten durch Erhöhung der Paraffinzugabe auf 2 % verbessern.
Eine wesentliche Reduzierung der Quellwerte kann durch die 2 %ige Zugabe des
Hydrophobierungsmittels vom Typ I zur Weizenproteinflotte erzielt werden. Dabei kann
abschließend über diese Versuchsvariante ausgesagt werden, dass sich 10 mm starke
ausschließlich mit Weizenprotein gebundene Mitteldichte Faserplatten im Pilotmaßstab
herstellen lassen, die auch den Anforderungen hinsichtlich der Festigkeiten senkrecht zur
Plattenebene genügen. Die Quellwerte dieser Mitteldichten Faserplatten können nicht mit
konventionellen Paraffinen sondern mit Hydrophobierungsmitteln auf SiO2-Basis am
deutlichsten verbessert werden.
192 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 10 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraffin 1 %HydroWax
138
2 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
2 %HydroWax
730
2 % Typ I
Serie
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
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Que
llung
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h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-55: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 10 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Die Ergebnisse der mechanisch-technologischen Eigenschaften von 12 mm starken
Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab unter Verwendung
unterschiedlicher Hydrophobierungsmittel (vgl. Tabelle 3-14) sind in Abbildung 4-56
graphisch dargestellt. Dabei konnte bei den 30 MDF-Platten dieser Variante V eine
durchschnittliche Rohdichte von 796 kg/m³ ermittelt werden. Die Berechnung der praktischen
Stärke dieser MDF-Platten ergab im Mittel einen Wert von 11,44 mm. Die
Querzugfestigkeiten der 12 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten fallen mit Werten von 0,75 N/mm² (ohne Paraffin), 0,85 N/mm² (1 %
HYDROWAX 138), 0,71 N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,79 N/mm² (1 % HYDROWAX 730),
0,73 N/mm² (2 % HYDROWAX 730) und 0,75 N/mm² (2 % Typ I) relativ homogen aus.
Auffällig ist, dass durch die Zugabe von 1 % HYDROWAX 138 zum Weizenprotein höhere
Querzugfestigkeiten gemessen werden als bei den ohne Paraffinzusatz angefertigten
Mitteldichten Faserplatten. Da dies der einzige Fall ist, bei dem die Festigkeiten durch Zugabe
von Paraffinen ansteigen, ist dies vermutlich in einem nicht optimalen Fertigungsprozess der
ohne Paraffinzugabe hergestellten MDF-Platten begründet. Bei allen durchgeführten Serien
der Variante V ist zu erkennen, dass mit der Erhöhung der Paraffindosis im Weizenprotein
eine Verschlechterung der Querzugfestigkeiten einhergeht. Allerdings erfüllen die erzielten
Querzugfestigkeiten aller in dieser Variante hergestellten Weizenprotein gebundenen
Ergebnisse & Diskussion 193
Mitteldichten Faserplatten den für Faserplatten dieser Stärke durch DIN vorgegebenen
Mindestwert von 0,55 N/mm².
Die in diesen Versuchen erzielten Quellwerte von 91,99 % (ohne Paraffin), 45,92 % (1 %
HYDROWAX 138), 54,33 % (2 % HYDROWAX 138), 67,41 % (1 % HYDROWAX 730), 49,76 %
(2 % HYDROWAX 730) und 28,97 % (2 % Typ I) liegen alle über dem durch DIN geforderten
Maximalwert von 15 Prozent. Dabei zeigt sich, dass durch die grundsätzliche Zugabe von
konventionellen Hydrophobierungsmitteln auf Paraffinbasis sowie die Erhöhung der
Paraffinzugaben in den Leimflotten keine ausreichenden Dickenquellwerte bei den mit diesen
Leimflotten hergestellten Mitteldichten Faserplatten erzielen lassen. Festzuhalten ist aber,
dass durch das verwendete Hydrophobierungsmittel auf SiO2-Basis in diesen Versuchen die
Quellwerte nahezu um 2/3 gegenüber den MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmittel gesenkt
werden konnten. Durch diese Versuche zeigt sich, dass 12 mm starke nur mit Weizenprotein
gebundene MDF-Platten im Pilotmaßstab hergestellt werden können, die die
Mindestanforderungen hinsichtlich der Festigkeiten erfüllen. Durch weitere Forschungs- und
Entwicklungsarbeiten mit dem neuartigen Hydrophobierungsmittel aus SiO2-Basis könnten
die Quellwerte dieser rein Weizenprotein gebundenen MDF-Platten soweit optimiert werden,
dass auch hinsichtlich dieser Eigenschaften die Anforderungen nach DIN erfüllt werden.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 12 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraffin 1 %HydroWax
138
2 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
2 %HydroWax
730
2 % Typ I
Serie
Que
rzug
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igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
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100,00
120,00Q
uellu
ng n
ach
24 h
(%)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-56: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 12 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
194 Ergebnisse & Diskussion
Die angefertigten 30 Weizenprotein gebundenen 14 mm starken Mitteldichten Faserplatten im
Pilotmaßstab der Variante VI (vgl. Tabelle 3-14) weisen bei einer Plattenstärke von 13,41 mm
im Mittel eine durchschnittliche Rohdichte von 809 kg/m³ auf. Damit sind die angestrebten
Herstellungsparameter von 800 kg/m³ Zielrohdichte und 14 mm theoretischer Plattenstärke in
diesen Serien der Variante VI erfüllt worden Bei Betrachtung der mechanisch-
technologischen Eigenschaften der 14 mm starken mit Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten ist zu erkennen, dass mit zunehmender Plattendicke auch die
Quellwerte ansteigen und ein leichter Rückgang der Querzugfestigkeiten gegenüber den
bereits beschriebenen, dünneren Weizenprotein gebundenen MDF-Platten feststellbar ist (vgl.
Abbildung 4-57). Es wurden durchschnittliche Querzugfestigkeiten von 0,62 N/mm² (ohne
Paraffin), 0,59 N/mm² (1 % HYDROWAX 138), 0,43 N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,57
N/mm² (1 % HYDROWAX 730), 0,59 N/mm² (2 % HYDROWAX 730) und 0,64 N/mm² (2 %
Typ I) bei den 14 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten gemessen. Daraus ist
ersichtlich, dass die Mindestfestigkeiten senkrecht zur Plattenebene von ≥ 0,55 N/mm² bei
allen MDF-Platten dieser Variante erfüllt wurden. Einzige Ausnahme bilden die Mitteldichten
Faserplatten, die mit einer Proteinleimflotte unter Zugabe von 2 % HYDROWAX 138
hergestellt wurden. Die Erhöhung der Paraffindosis in der Leimflotte hatte eine deutliche
Reduzierung der Querzugfestigkeiten bei den Werkstoffen dieser Serie zur Folge.
Die Quellwerte fallen im Vergleich zu den dünneren Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
mit Werten von 95,63 % (ohne Paraffin), 69,39 % (1 % HYDROWAX 138), 78,71 % (2 %
HYDROWAX 138), 81,47 % (1 % HYDROWAX 730), 73,22 % (2 % HYDROWAX 730) und
43,91 % (2 % Typ I) höher aus. Dies ist in der höheren Weizenproteinkonzentration, bedingt
durch den höheren Anteil beleimter Fasern gegenüber dünneren Faserplatten begründet.
Dadurch erhöht sich ebenfalls der Anteil der hochwertigen Zucker und Hemicellulosen in den
Mitteldichten Faserplatten, die einen Anstieg der Quellwerte der Faserplatten bewirken (KUO
et al., 1998). Da aufgrund der höheren Plattendicke die Temperatur in der Plattenmitte
während des Heißpressens nicht mehr so hoch ist, karamellisieren die Zucker nicht mehr in
der gesamten MDF-Platte und können auf diese Weise später mehr Wasser aufnehmen. Auch
bei diesen Serien ist zu erkennen, dass die Wirkungsweise der konventionellen
Hydrophobierungsmittel durch die Kombination mit dem Weizenprotein nicht aufgehoben
wird. Die Reduzierung der Dickenquellung ist jedoch zu gering und eine Erhöhung des
Paraffingehaltes ist deutlich mit einer Verschlechterung der Querzugfestigkeiten korreliert.
Ausnahmen bilden hier das HYDROWAX 730, durch dessen Anteilserhöhung in der Leimflotte
von 1 % auf 2 % die Querzugfestigkeiten und Dickenquellwerte der MDF-Platten leicht
Ergebnisse & Diskussion 195
verbessert werden konnten. Am deutlichsten wirkt sich aber die 2 %ige Zugabe des
Hydrophobierungsmittels vom Typ I zur Weizenproteinflotte bei der Reduzierung der
Dickenquellwerte aus. Es ist sogar eine Zunahme der Querzugfestigkeiten durch die
Beimischung dieses Hydrophobierungsmittels gegenüber den Platten ohne
Hydrophobierungsmittel feststellbar.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 14 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraffin 1 %HydroWax
138
2 %HydroWax
138
1 %HydroWax
730
2 %HydroWax
730
2 % Typ I
Serie
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
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h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-57: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 14 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Erhöht man die Plattenstärke von 14 mm auf 16 mm bei den Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten, so ist dies auch in den mechanisch-technologischen Eigenschaften
der MDF-Platten zu erkennen (vgl. Abbildung 4-58). Die 25 Platten dieser Variante VII (vgl.
Tabelle 3-15) wiesen eine Rohdichte von 803 kg/m³ im Mittel bei einer durchschnittlichen
Werkstoffstärke von 15,42 mm auf. Die Querzugfestigkeiten fallen im Vergleich zu den
dünneren Mitteldichten Faserplatten, die in den vorhergehenden Versuchen beschrieben
wurden, mit durchschnittlichen Werten von 0,57 N/mm² (ohne Paraffin), 0,47 N/mm² (1 %
HYDROWAX 138), 0,39 N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,49 N/mm² (1 % HYDROWAX 730)
und 0,51 N/mm² (2 % HYDROWAX 730) geringer aus. Die für 16 mm starke Mitteldichte
Faserplatten durch DIN vorgeschriebene Mindestfestigkeit von 0,55 N/mm² wird nur von den
MDF-Platten ohne Hydrophobierungsmitteln erreicht. Die übrigen Querzugfestigkeiten der
Mitteldichten Faserplatten unterschreiten vermutlich aufgrund der Paraffinzugabe zum
Weizenprotein den vorgeschriebenen Mindestwert. Die sinkenden Querzugfestigkeiten sind
möglicherweise auf die geringeren Temperaturen während des Heißpressvorgangs in der
196 Ergebnisse & Diskussion
Plattenmitte zurückzuführen. Aufgrund der höheren Plattendicke kommt es zu einer
geringeren Hitzentwicklung in der Platte; die Temperatur ist bei dieser Plattedicke vermutlich
nicht mehr ausreichend, um eine wirksame Vernetzung der Proteine im Weizenprotein zu
bewirken (NUHN, 1997; KRUG 2001a).
Die Auswirkungen der verwendeten Hydrophobierungsmittel bei diesen Serien der Variante
VII beschränken sich nahezu ausschließlich auf eine Verschlechterung der
Querzugfestigkeiten der mit diesen Leimflotten hergestellten Mitteldichten Faserplatten. Eine
effektive Reduzierung der Dickenquellwerte durch die Zugabe von Hydrophobierungsmitteln
bzw. die Erhöhung der Paraffindosis in den Leimflotten konnte bei den gemessenen
Mittelwerten von 105,70 % (ohne Paraffin), 87,18 % (1 % HYDROWAX 138), 81,62 % (2 %
HYDROWAX 138), 95,23 % (1 % HYDROWAX 730) und 83,22 % (2 % HYDROWAX 730) nicht
ermittelt werden. Dies ist vermutlich in der nicht mehr stattfindenden Karamellisierung der im
Weizenprotein enthaltenen mehrwertigen Zucker bedingt. Aufgrund nicht mehr ausreichender
Temperaturen in der Platte während des Heißpressvorgangs können die Zucker im
Weizenprotein nicht mehr karamellisieren und nehmen so später bedeutend mehr Wasser auf.
Auch die im Weizenprotein befindlichen Hemicellulosen werden aufgrund dieser
Pressbedingungen nicht mehr ausreichend in die vernetzten Strukturen des Bindemittels
während des Heißpressvorgangs mit eingebunden und nehmen daher einen bedeutenden
Anteil an Wasser auf.
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 16 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraffin 1 % HydroWax138
2 % HydroWax138
1 % HydroWax730
2 % HydroWax730
Serie
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-58: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 16 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Ergebnisse & Diskussion 197
Bei den 18 mm starken mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten der
Variante VIII (vgl. Tabelle 3-15) zeigt sich die nicht mehr ausreichende Presstemperatur
ebenfalls in deutlich abfallenden mechanisch-technologischen Eigenschaften (vgl. Abbildung
4-59). Die Platten weisen trotz einer durchschnittlichen Rohdichte von 801 kg/m³ nur sehr
geringe Querzugfestigkeiten auf. Es wurden bei den 25 Platten dieser Variante VIII
durchschnittliche Festigkeiten senkrecht zur Plattenebene von 0,51 N/mm² (ohne Paraffin),
0,45 N/mm² (1 % HYDROWAX 138), 0,39 N/mm² (2 % HYDROWAX 138), 0,42 N/mm² (1 %
HYDROWAX 730) und 0,49 N/mm² (2 % HYDROWAX 730) gemessen. Die geforderte
minimale Festigkeit von 0,55 N/mm² nach DIN für Platten mit 18 mm Stärke konnte von
keiner Serie dieser Variante erzielt werden. Dabei konnten die besten Querzugfestigkeiten bei
den MDF-Platten ermittelt werden, die ohne Hydrophobierungsmittel angefertigt wurden. Die
Zugabe von Hydrophobierungsmitteln, kombiniert mit zu geringen Temperaturen während
des Heißpressvorgangs in den Platten führten möglicherweise zu einer reversiblen
Denaturierung der Proteine (NUHN,1997). Dadurch konnten keine ausreichenden Festigkeiten
in den 18 mm starken Mitteldichten Faserplatten erzielt werden.
Auch die gemessenen Quellwerte dieser Weizenprotein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten zeigen, dass die im natürlichen Bindemittel enthaltenen mehrwertigen Zucker
aufgrund zu geringer Temperaturen während des Heißpressens nicht karamellisiert worden
sind und damit eine erhöhte Wasseraufnahme der MDF-Proben verbundenen ist. Auch die
grundsätzliche Zugabe von Hydrophobierungsmitteln und die Änderung der Paraffindosis ist
bei den ermittelten Quellwerten von 110,27 % (ohne Paraffin), 89,73 % (1 % HYDROWAX
138), 82,25 % (2 % HYDROWAX 138), 91,88 % (1 % HYDROWAX 730) und 82,43 % (2 %
HYDROWAX 730) nicht erkennbar. Trotz der Verwendung von Hydrophobierungsmitteln gibt
es keine effektive Reduzierung der Dickenquellwerte. Lediglich der negative Einfluss der
Hydrophobierungsmittel auf die Querzugfestigkeiten der Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten scheint sich auch in den Serien dieser Variante VIII zu
wiederholen. Dabei ist es in diesem Fall allerdings schwierig, definitiv eine Absenkung der
Querzugfestigkeiten mit der Zugabe von Hydrophobierungsmitteln zu korrelieren, da bei
diesen 18 mm starken MDF-Platten mehrere Faktoren, wie bereits bei der Beschreibung der
Festigkeiten oben im Text erläutert, das zustande kommen optimaler Querzugfestigkeiten
unterbunden haben.
198 Ergebnisse & Diskussion
Mechanisch-technologische Eigenschaften der 18 mm starken Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
Ohne Paraffin 1 % HydroWax138
2 % HydroWax138
1 % HydroWax730
2 % HydroWax730
Serie
Que
rzug
fest
igke
it (N
/mm
²)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
Que
llung
nac
h 24
h (%
)
Querzugfestigkeiten nach DIN EN 319 Dickenquellw erte nach DIN EN 317
Abbildung 4-59: Mechanisch-technologische Eigenschaften der 18 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Formaldehydemissionen aus 10 mm starken Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
0,26 0,27 0,29 0,26 0,29
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
Ohne Paraff in 1 % HydroWax138
2 % HydroWax138
1 % HydroWax730
2 % HydroWax730
Form
alde
hyde
mis
sion
en n
ach
DIN
EN
120
(m
g H
CH
O/1
00 g
Fas
erpl
atte
)
Abbildung 4-60: Formaldehydemissionen aus den Weizenprotein gebundenen MDF-Platten nach der Perforator-Methode (DIN EN 120)
Die Messung der Formaldehydabgabe aus den 10 mm starken mit Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten zeigt, das die berechneten Werte von 0,26 mg (ohne Paraffin), 0,27
mg (1 % HYDROWAX 138), 0,29 (2 % HYDROWAX 138), 0,26 (1 % HYDROWAX 730) und
0,29 mg HCHO pro 100 g Faserplatte (2 % HYDROWAX 730), dargestellt in Abbildung 4-60,
Ergebnisse & Diskussion 199
sehr gering sind und den durch die DiBt-Richtlinie 100 (1994) vorgegeben, maximalen
Emissionswert von 7 mg Formaldehyd pro 100 g Faserplatten unterschreiten. Dies ist nicht
verwunderlich, denn in dem Weizenprotein befindet sich, mit Ausnahme der 0,1 %igen
Zugabe von Formaldehyd als Konservierungsmittel, kein weiteres Formaldehyd. Diese
Formaldehydemission kann noch weiter gesenkt werden, da als Konservierungsmittel
alternativ auch Propionsäure in der Weizenprotein-Suspension verwendet werden kann, die
kein Formaldehyd enthält. Die Weizenprotein-Suspension weist bei der Zugabe von 0,1 %
Propionsäure ebenso wie bei der Zugabe von 0,1 % Formaldehyd eine Haltbarkeit von
durchschnittlich 6 Monaten auf. Die nach der Perforator-Methode ermittelten und berechneten
Formaldehydemissionen setzten sich daher einerseits aus den geringen Anteilen des
Konservierungsmittels und anderseits dem im Holz natürlich vorkommenden Formaldehyd,
der auch noch im Fasermaterial enthalten ist, zusammen. Dabei entsprechen die ermittelten
Formaldehydemissionen nahezu den natürlichen Formaldehydemissionen aus Holz (SIRCH
und KEHR, 1997).
4.2.5.1 Fazit der mechanisch-technologischen Eigenschaften Weizenprotein gebundener MDF-Platten unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten
Die ermittelten mechanisch-technologischen Eigenschaften der Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatten zeigen, dass ein Einsatz dieses natürlichen Bindemittels aus
nachwachsenden Rohstoffen zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten zurzeit
eingeschränkt realisierbar ist. Bei der Verwendung dieses Bindemittels in Kombination mit
den konventionellen Bindemitteln Harnstoff- bzw. Phenol-Formaldehyd-Harz konnte
festgestellt werden, dass eine 25 %ige Substitution der konventionellen Bindemittel durch die
in diesem Forschungsvorhaben entwickelte Weizenprotein-Suspension unter Verwendung
herkömmlicher Hydrophobierungsmittel möglich ist, ohne Verschlechterungen bei den
mechanisch-technologischen Eigenschaften dieser Mitteldichten Faserplatten in Kauf nehmen
zu müssen.
Soll das Weizenprotein als alleiniges Bindemittel zur Herstellung von Mittelichten
Faserplatten verwendet werden, so ist dies in Kombination mit Paraffinen in industrieüblichen
Dosierungen bis zu einer Plattenstärke von 6 mm realisierbar. Bei Plattendicken über 6 mm
stellte sich heraus, dass aufgrund des höheren Werkstoffgewichts und des damit verbundenen
höheren Proteinanteils in der Platte die hydrophobierenden Eigenschaften der Paraffine
200 Ergebnisse & Diskussion
aufgrund von Wechselwirkungen zwischen den Hydrophobierungsmitteln und dem
Weizenprotein unterbunden wurden. Die durch DIN vorgegebenen Maximalwerte bzgl. der
Dickenquellung nach 24 h Wasserlagerung konnten bei den Weizenprotein gebundenen
MDF-Platten nicht mehr realisiert werden. Zudem konnten aufgrund der Wechselwirkungen
zwischen den naturnahen Bindemittel und den Hydrophobierungsmitteln auch geringere
Querzugfestigkeiten der Weizenprotein gebundenen MDF-Platten gemessen werden.
Allerdings erfüllten diese Platten bis zu einer Stärke von 16 mm die nach DIN geforderten
Mindestfestigkeiten senkrecht zur Plattenebene.
Des Weiteren konnten sehr gute mechanisch-technologische Eigenschaften der Weizenprotein
gebundenen Mitteldichten Faserplatten unter Zugabe von Hydrophobierungsmitteln auf SiO2-
Basis zur Leimflotte ermittelt werden. Da sich diese Möglichkeit erst zu einem späteren
Zeitpunkt dieses Vorhabens ergab, besteht auf diesem Gebiet sicherlich noch erheblicher
Optimierungsbedarf.
Abschließend lässt sich aussagen, das bei einem durchschnittlichen Preis von 300 € pro Tonne
Weizenprotein atro (CERESTAR, 2005) sich erhebliche Einsparungen bei den Leimkosten
konventioneller Bindemittel erzielen lassen. Der Preis für Harnstoff-Formaldehyd-Harz lag
im Jahr 2005 bei durchschnittlich 363 € pro Tonne Festharz (PFLEIDERER, 2005), so das sich
bei der Verwendung von Weizenprotein eine Einsparung von 63 € pro Tonne verwendeten
naturnahen Bindemittel erzielen lassen. Die Erkenntnis, dass bis zu 25 % der konventionellen
Bindemittel durch das Weizenprotein unter Beibehaltung konstanter mechanisch-
technologischer Eigenschaften substituiert werden können, stellt für die
Holzwerkstoffindustrie eine enorme Möglichkeit zur Kosteneinsparung dar, da zurzeit die
Gesamtherstellungskosten von Holzwerkstoffen bis zu 20 % von den Leimkosten bestimmt
werden (KHARAZIPOUR, 2004).
4.3 Mykologische Untersuchungen an Mitteldichten Faserplatten
4.3.1 Holzabbauversuch an Mitteldichten Faserplatten
Die in Abbildung 4-61 graphisch dargestellten Ergebnisse der optischen Bewuchsbonitierung
der mit Weizenprotein gebundenen Faserplatten weisen nach SHEKHOLESLAMI (1986)
durchschnittlich alle einen guten bis üppigen Bewuchs auf. Lediglich die mit MERGAL S 88
geschützten Mitteldichten Faserplatten, die mit Coniophora puteana und Trichoderma viridae
Ergebnisse & Diskussion 201
beimpft sind, zeigen abweichende Werte. Dabei fällt besonders der mit 20 % bonitierte, nur
spärliche Bewuchs des Schimmelpilzes (Trichoderma viridae) auf. Aber auch der
Braunfäulepilz, Coniophora puteana, wächst nur sehr langsam auf den geschützten MDF-
Proben (64 %).
Bei allen mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten war festzustellen, dass
die Pilze durchschnittlich 5 bis 7 Tage mehr benötigten, um die Holzwerkstoffproben zu be-
und überwachsen, als bei den Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen Faserplatten. Dies ist
in der stärkeren Wasseraufnahme der mit Weizenprotein hergestellten Faserplatten begründet.
Zu erkennen war dies auch an der leichten Dickenquellung der Faserplattenproben, die durch
eine Feuchtigkeitsaufnahme bewirkt wird. Die Platten haben geringe Mengen der Flüssigkeit
aus dem Nährmedium aufgenommen, und damit das Pilzwachstum auf den Nährböden etwas
erschwert. Bei den mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz herstellten Mitteldichten Faserplatten
war keine Wasseraufnahme zu erkennen.
Abbildung 4-61: Überwachsungsgrade der Weizenprotein gebundenen MDF-Platten mit (PF 1–45) und ohne (P 1-45) Fungizid
Die in Abbildung 4-62 dargestellten Ergebnisse der optischen Bewuchsbonitierung der
Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten bewegen sich
durchschnittlich alle um einen Wert von 100 %. Die geschützten wie auch die ungeschützten
Optische Bewuchsbonitierung der mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten mit und ohne Fungizid
100
80
108
64
20
92
0
20
40
60
80
100
120
P 1 - 15,Trametesversicolor
P 16 - 30,Coniophora
puteana
P 31 - 45,Trichoderma
viridiae
PF 1 - 15,Trametesversicolor
PF 16 - 30,Coniophora
puteana
PF 31 - 45,Trichoderma
viridiae
Probe
Myc
elbe
wuc
hs (%
)
202 Ergebnisse & Diskussion
Faserplattenproben sind durchgehend vollständig bewachsen. Eine Ausnahme in dieser
Versuchsreihe ist der Schimmelpilz auf den geschützten Holzfaserwerkstoffen UFF 31 – 45.
Trichoderma viridae liegt mit einem Überwachsungsgrad von nur 80 %, d.h. der Pilz hat nur
die Oberkante der Faserplattenprobe erreicht, deutlich unter den anderen Ergebnissen der mit
Harnstoff-Formaldehyd-Harz hergestellten Mitteldichten Faserplatten.
Abbildung 4-62: Überwachsungsgrade der UF-Harz gebundenen MDF-Platten mit (UFF 1-45) und ohne (UF 1-45) Fungizid
Bei Betrachtung der durchschnittlichen Holzabbauraten der unterschiedlichen Mitteldichten
Faserplatten in Abbildung 4-63 fällt auf, dass der Einsatz des verwendeten Fungizids MERGAL
S 88 eine Reduzierung des Holzabbaues bei allen Faserplattenproben bewirkt. Am
deutlichsten ist dies bei Trametes versicolor zu erkennen. Die Holzzerstörung der
ungeschützten Platten beträgt durchschnittlich 43,87 %, die der geschützten Platten nur 20,42
%. Durch den Einsatz des Fungizids lässt sich der Holzabbau bei diesem bevorzugt Lignin
abbauenden Weißfäulepilz um 53,45 % senken.
Der Holzabbau beim Braunfäulepilz Coniophora puteana ist mit 38,18 % bei den
ungeschützten Mitteldichten Faserplatten nicht so hoch wie bei dem Weißfäulepilz, aber für
einen Versuchszeitraum von 4 Monaten trotzdem beachtlich. Durch das im Versuch
Optische Bewuchsbonitierung der UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten mit und ohne Fungizid
100 96 96104
100
80
0
20
40
60
80
100
120
UF 1 - 15,Trametesversicolor
UF 16 - 30,Coniophora
puteana
UF 31 - 45,Trichoderma
viridiae
UFF 1 - 15,Trametesversicolor
UFF 16 - 30,Coniophora
puteana
UFF 31 - 45,Tichoderma
viridiae
Probe
Myc
elbe
wuc
hs (%
)
Ergebnisse & Diskussion 203
verwendete Pilzschutzmittel MERGAL S 88 lässt sich die Holzzerstörung aber um ca. 1/3 auf
26,38 % reduzieren.
Der im Versuch verwendete Schimmelpilz Trichoderma viridae hat die ungeschützten
Faserplattenproben mit durchschnittlichen 16,1 % im Vergleich zu den Weiß- und
Braunfäulepilzen nur gering abgebaut. Der Einsatz des Fungizids MERGAL S 88 hat bei den
geschützten Proben nur zu einem minimalen Rückgang der Holzzerstörung geführt (14,28 %).
Die Differenz zu den ungeschützten Proben beträgt nur 1,82 %, umgerechnet auf den
Holzabbau der ungeschützten Faserplatten sind dies aber immer noch 11,3 %.
Abbildung 4-63: Durchschnittliche Holzzerstörung der mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platten mit (PF 1-45) und ohne (P 1-45) Fungizid
Die in Abbildung 4-64 dargestellte durchschnittliche Holzzerstörung der mit Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten liegt deutlich unter den
Abbauraten der zuvor beschriebenen, mit Weizenprotein hergestellten Mitteldichten
Faserplatten. Dabei zeigt sich, dass die mit synthetischen Bindemitteln hergestellten
Holzwerkstoffe eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Holzzerstörenden Pilzen haben
(KUO et al., 1998). Auch in dieser Versuchsreihe ist zu erkennen, dass durch den Einsatz des
Fungizids MERGAL S 88 eine Reduzierung des Holzabbaues bewirkt wird. Im Vergleich zu
den Weizenprotein gebundenen Faserplatten ist die Reduzierung der Holzzerstörung durch die
Fungizidzugabe jedoch gering.
Durchschnittlicher Holzabbau bei den mit Weizenprotein hergestellten Mitteldichten Faserplatten
26,38
20,42
38,1843,87
16,1 14,28
05
10152025
303540
4550
P 1 - 15Trametesversicolor
P 16 - 30Coniophora
puteana
P 31 - 45Trichoderma
virdiae
PF 1 - 15Trametesversicolor
PF 16 - 30Coniophora
puteana
PF 31 - 45Trichoderma
viridiae
Probennummer / Pilzart
Hol
zabb
au (%
)
204 Ergebnisse & Diskussion
Durch Trametes versicolor wurden die Holzbestandteile in dieser Versuchsreihe,
hauptsächlich Lignin, zu 6,06 % abgebaut. Die geschützten Proben wiesen einen Abbau der
Holzbestandteile von 5,97 % auf. Basierend auf diesen Ergebnissen ist abzuleiten, dass der
Einsatz des Fungizids bei dem Weißfäulepilz nur minimal eine Reduzierung des Holzabbaues
zur Folge hat.
Der Braunfäulepilz Coniophora puteana weist bei den ungeschützten Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen Faserplatten mit 9,54 % den höchsten Holzzerstörungsgrad
auf. Das verwendete Fungizid reduziert den Holzabbau, in diesem Fall vorwiegend Cellulose,
bei den geschützten Holzfaserwerkstoffen um 0,39 % auf 9,15 %.
Die Holzzerstörung der Mitteldichten Faserplattenproben durch den Schimmelpilz
Trichoderma viridae war in dieser Versuchsserie mit 5,64 % bei den ungeschützten und mit
4,99 % bei den geschützten Proben ähnlich gering wie der Holzabbau durch den
Weißfäulepilz Trametes versicolor. Das verwendete Fungizid MERGAL S 88 reduzierte in
diesem Fall den Holzabbau um lediglich 0,65 %.
Abbildung 4-64: Durchschnittliche Holzzerstörung der mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen MDF-Platten mit (UFF 1-45) und ohne (UF 1-45) Fungizid
Duchschnittlicher Holzabbau bei den mit Harnstoff-Formaldehyd hergestellten Mitteldichten Faserplatten
4,995,646,06
9,54
5,97
9,15
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
UF 1 - UF 15 Trametesversicolor
UF 16 - UF 30Coniophora
puteana
UF 31 - UF 45Trichoderma
viridiae
UFF 1 - UFF 15Trametesversicolor
UFF 16 - UFF30 Coniophora
puteana
UFF 31 - UFF45 Trichoderma
viridiae
Probennummer / Pilzart
Hol
zabb
au (%
)
Ergebnisse & Diskussion 205
Betrachtet man nun die Ergebnisse der visuellen Bewuchsbonitierung mit den Ergebnissen der
Holzabbauraten, so kann man bei allen Holzwerkstoffproben in dieser Versuchsreihe
feststellen, dass es nicht möglich ist, Rückschlüsse aus der Bewuchsbonitierung auf die
Holzabbauraten zu ziehen. Auf Grund der Tatsache, dass eine Probe mit Pilzmycel be- und
überwachsen ist, ist nicht zu folgern, dass das Pilzmycel auch in die Probe wächst und das
Holz abbaut. Ein Beispiel hierfür ist der Schimmelpilz Trichoderma viridae. Dieser hat bei
den geschützten, mit Weizenprotein gebundenen Faserplatten nur einen Überwachsungsgrad
von 20 % erreicht, jedoch die Proben durchschnittlich zu 14,28 % abgebaut. Die geschützten
mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz gebundenen Faserplatten wurden von diesem Pilz zu 80 %
bewachsen, jedoch nur zu 4,99 % abgebaut. Die gleiche Beobachtung tritt auch bei dem
Braunfäulepilz Coniophora puteana auf. Die geschützten mit Weizenprotein hergestellten
Faserplatten sind nur zu 64 % bewachsen aber zu 26,38 % zerstört. Die mit UF-Harz
gebundenen Faserplatten sind zu 100 % bewachsen jedoch lediglich zu 9,15 % abgebaut.
Diese Beobachtungen lassen sich anhand von zwei mechanisch-technologischen
Eigenschaften der Mitteldichten Faserplatten erklären. Dafür sind zum einen die
Querzugfestigkeiten sowie zum andern die hydrophoben Eigenschaften der verwendeten
Holzwerkstoffproben von entscheidender Bedeutung. Durch eine stärkere Bindung und die
hydrophoben Eigenschaften der Faserplatten wird das Wachstum des Mycels in die Platte
erschwert. Der Holzabbau findet somit nur zu geringem Maße an der bewachsenen
Oberfläche der Faserproben statt. Die in diesem Holzabbauversuch verwendeten
Mitteldichten Faserplatten wurden alle unter den gleichen Konditionen hergestellt. Daher
müssen die besseren Festigkeiten und hydrophoben Eigenschaften der mit Harnstoff-
Formaldehyd-Harz gebundenen Faserplatten im verwendeten Bindemittel begründet sein.
Da jedoch ein Großteil der mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten aber die
nach DIN-Norm geforderten Querzugfestigkeiten aufweisen und somit für viele
Einsatzzwecke verwendet werden können, ist die leichtere Abbaubarkeit durch
Holzzerstörende Pilze ein positiver Aspekt dieser Platten, wenn man an die
umweltfreundliche Entsorgung dieser Platten nach ihrer Verwendung denkt. Laut dem TA-
Siedlungsabfallgesetz, das im Juni 2005 in Kraft trat, dürfen nur noch Materialien mit weniger
als 5 % organischen Bestandteilen auf Deponien gelagert werden. Aufgrund der Tatsache,
dass die mit Weizenprotein hergestellten Mitteldichten Faserplatten verglichen mit den UF-
Harz gebundenen MDF-Platten durch Holzzerstörende Pilze mengenmäßig zu einem höheren
Grad abgebaut werden, stellt die Zersetzung durch Pilze eine alternative Entsorgungsvariante
dar.
206 Ergebnisse & Diskussion
4.3.2 Holzabbau an 14C markierten Mitteldichten Faserplatten
Die Ergebnisse der Holzabbauversuche an 14C-U markierten Mitteldichten Faserplatten,
gebunden mit Harnstoff-Formaldehyd-Harz Kauritec 407® flüssig der Fa. BASF bzw. mit der
Weizenprotein-Suspension, sind in Abbildung 4-65 bis Abbildung 4-72 graphisch dargestellt.
Dabei ist erkennbar, dass es deutliche Unterschiede hinsichtlich der eingesetzten Pilzarten
zum Abbau der Holzbestandteile, sowie bei den verwendeten Bindemitteln zur Herstellung
der MDF-Proben gibt. Die Graphiken geben dabei den mit der 14C-Messmethode ermittelten
Abbau des 14C-U markierten Holzes über einen definierten Versuchszeitraum wieder. Um die
absoluten Abbauraten anhand des Masseverlustes parallel zu den nach der 14C-Messmethode
ermittelten Ergebnisse zu erhalten, werden in allen durchgeführten Versuchen die
Trockengewichte der Weizenprotein gebundenen MDF-Proben vor und nach dem
Abbauversuch ermittelt. Setzt man einen parallelen Abbau von radioaktivem und inaktivem
Material voraus, so sollten die Abbauraten, gemessen anhand der Masseverluste in etwa
doppelt so hoch sein, wie die nach der 14C-Messmethode ermittelten Werte, da zwischen
radioaktivem und inaktivem Kohlenstoff keine chemischen Unterschiede bestehen.
In Abbildung 4-65 sind die Ergebnisse des Holzabbaus an 14C-U markierten UF-Harz
gebundenen MDF-Proben durch den Weißfäulepilz Trametes versicolor dargestellt. Dabei
fällt auf, dass die beiden parallel durchgeführten Doppelbestimmungen einen sehr
gleichmäßigen Kurvenverlauf aufzeigen. Der durchschnittliche Abbau von ca. 4 % über eine
Versuchsdauer von 120 Tagen ist für einen Weißfäulepilz sehr gering, zumal er die
unterschiedlichen Holzbestandteile Lignin, Cellulose und Hemicellulose, wie in Kapitel 2.6.1
beschrieben, z. T. simultan zersetzen kann (LIESE, 1981; RAYNER und BODDY, 1988). Die
erzielten Ergebnisse sind, ein gleichmäßiger Abbau von radioaktivem und inaktivem Material
vorausgesetzt, jedoch durchaus mit den geringen Abbauraten aus dem Holzabbauversuch an
nur mit inaktivem Material hergestellten MDF-Platten vergleichbar (siehe Abbildung 4-64).
Der in diesem Fall zur Herstellung der MDF-Platten verwendete Harnstoff-Formaldehyd-Harz
weist auf der einen Seite einen sehr hohen Stickstoffanteil auf (vgl. dazu Abbildung 4-20),
was für das Mycelwachstum grundsätzlich förderlich ist, auf der anderen Seite wirkt der
enthaltene Formaldehyd jedoch wie ein Fungizid, was die Holzzerstörung möglicherweise
unterbindet. Aufgrund dieser möglichen fungiziden Wirkung des Formaldehyds wächst das
Pilzmycel hauptsächlich nur auf der Oberfläche der Proben und kann nicht in die Werkstoffe
eindringen, wodurch eine höhere Holzdegradation verhindert wird.
Ergebnisse & Diskussion 207
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20 Holzabbau durch den Weißfäulepilz Trametes versicolor an 14C-u markierten UF gebundenen MDF
UF I 411412,7 dpm (6,86 kBq)UF II 418792,3 dpm (6,98 kBq)Nährmedium: BSM
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-65: Holzzersetzung an den 14C-U markierten UF-Harz gebundenen MDF durch Trametes versicolor
Ebenso die durch den Braunfäulepilz Coniophora puteana erzielten Ergebnisse im
Holzabbauversuch an den 14C-U markierten und mit UF-Harz gebundenen MDF-Proben
fallen mit nur ca. 2,5 % relativ gering aus (vgl. Abbildung 4-66). Sie liegen noch unter den in
Kapitel 4.3.1 dargestellten Ergebnissen an vollständig mit inaktivem Material hergestellten
MDF-Proben. Auch in diesem Fall zeigen die Kurven der beiden parallel durchgeführten
Versuche einen recht gleichmäßigen Verlauf. Die Abbauraten bei Braunfäulepilzen sind
erwartungsgemäß geringer als die von Weißfäulepilzen, da die Braunfäulepilze nur in sehr
geringen Mengen das im Holz enthaltene Lignin abbauen können (DUNCAN, 1960; HAIDER
und TROJANOWSKI, 1975). Die Braunfäulepilze sind, wie in Kapitel 2.6.2 beschrieben,
spezialisiert auf den Abbau von Cellulosen und Hemicellulosen (DUNCAN, 1960; SCHWARZE,
1999). Die auch in diesem Fall nur sehr geringen Abbauraten sind wahrscheinlich auf die
fungizide Wirkung des in den MDF-Proben enthaltenen Formaldehyds zurückzuführen
(PARAMESWARAN und ROFFAEL, 1985). Auch das Mycel des Braunfäulepilzes wächst nur
sehr spärlich in die UF-Harz gebundenen MDF-Proben ein, wie unter dem Lichtmikroskop
nach der Beendigung des Versuches festzustellen war.
208 Ergebnisse & Diskussion
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20
Holzabbau durch den Braunfäulepilz Coniophora puteana an 14C-u markierten UF gebundenen MDF
UF III 397576,0 dpm (6,63 kBq)UF IV 424327,0 dpm (7,07 kBq)Närmedium: MYA
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-66: Holzzersetzung an den 14C-U markierten UF-Harz gebundenen MDF durch Coniophora puteana
Die durch den Moderfäuleerreger Trichoderma viridae in diesem Versuch erzielten
Zersetzungsgrade von ca. 3,75 % an den UF-Harz gebundenen Mitteldichten Faserplatten
über eine Dauer von 120 Tagen fallen nur minimal aus (vgl. Abbildung 4-67). Der
durchschnittliche Zersetzungsgrad von 3,75 % ist noch geringer als der an nur mit inaktivem
Material erzielte Holzabbau (vgl. dazu auch Abbildung 4-65). Die Moderfäuleerreger bauen
vorrangig die im Holz enthaltene Cellulose ab (vgl. Kapitel 2.6.3) und lassen sich daher im
Allgemeinen auch nur durch sehr geringe Abbauraten am Holz charakterisieren (SCHWARZE,
1999). In diesem Fall werden die geringe Zersetzungsaktivität des Pilzes und das Wachstum
des Pilzmycels in die Werkstoffprobe durch die fungizide Wirkung des zur Herstellung der
MDF-Proben verwendeten konventionellen Bindemittels noch weiter unterbunden
(PARAMESWARAN und ROFFAEL, 1985).
Ergebnisse & Diskussion 209
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20 Holzabbau durch die Moderfäule Trichoderm a viridiae an 14C-u markierten UF gebundenen MDF
UF V 439086,2 dpm (7,32 kBq)UF VI 428016,8 dpm (7,13 kBq)Närmedium: Raulin
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-67: Holzzersetzung an den 14C-U markierten UF-Harz gebundenen MDF durch Trichoderma viridae
Bei den mit Weizenprotein gebundenen und mit 14C-U markiertem Material hergestellten
Mitteldichten Faserplatten werden, verglichen mit den UF-Harz gebundenen Proben, höhere
Abbaugrade durch die Holzzerstörenden Pilze erzielt. Die mit synthetischen Bindemitteln
hergestellten MDF-Platten besitzen eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber
Holzzerstörenden Pilzen (KUO et al., 1998). Die Ergebnisse dieser Versuche sind in
Abbildung 4-68 bis Abbildung 4-72 als Graphiken dargestellt.
Der Weißfäulepilz Trametes versicolor zeigt im Vergleich zu UF-Harz gebundenen MDF-
Proben signifikante Unterschiede in der Degradation der Holzbestandteile. Die mit Protein
gebundenen MDF-Proben wurden zu 12,5 % bzw. zu 18,5 % abgebaut. Die beiden Kurven
weisen unterschiedliche Zersetzungsraten auf, was auf unterschiedliche Versuchsbedingungen
zurückzuführen ist. Die hohen Stickstoffgehalte im Weizenprotein (vgl. Abbildung 4-21)
stellen für die Pilze eine sehr gute Nährstoffquelle dar, die auch für die Pilze zugänglich und
vermutlich vollständig nutzbar ist. Dadurch ist es für den Weißfäulepilz Trametes versicolor
möglich, die Proben nicht nur an der Oberfläche zu besiedeln, sondern auch in die
Holzwerkstoffe hereinzuwachsen. Aufgrund dieser Bedingungen und durch die Möglichkeit
des simultanen Holzabbaus können in diesem Fall höhere Zersetzungsgrade erzielt werden
210 Ergebnisse & Diskussion
(LIESE, 1981; ERIKSON et al., 1990). Die Ergebnisse sind unter Vorbehalt eines gleichmäßigen
Abbaus von inaktivem und radioaktivem Material, mit den in Kapitel 4.3.1 dargestellten
Abbauraten an inaktiven MDF-Proben vergleichbar (vgl. dazu Abbildung 4-63).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
25
30
Holzabbau durch den W eißfäulepilz Tram etes versico lor an 14C-u m arkierten Protein gebundenen M DF
W P I 431706,6 dpm (7 ,20 kB q)W P II 448310,7 dpm (7 ,47 kB q)N ährm ed ium :B S M
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
T age
Abbildung 4-68: Holzabbau durch Trametes versicolor an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF
Die Degradationsraten des Braunfäulepilzes Coniophora puteana sowie des
Moderfäuleerregers Trichoderma viridae an den Protein gebundenen Mitteldichten
Faserplatten sind nur unwesentlich höher, verglichen mit den erzielten Ergebnissen der
Harnstoff-Formaldehyd-Harz verleimten Mitteldichten Faserplatten (vgl. Abbildung 4-69 und
Abbildung 4-70). Der Braunfäulepilz zeigte durchschnittlich eine Holzzersetzung von 4 %,
bei der Moderfäule wurden ebenfalls 4 % Holzabbau nach der 14C-Messmethode ermittelt.
Der im Weizenprotein enthaltene Stickstoff stellt auch für diese Pilzarten eine wichtige
Nährstoffquelle dar. Somit wäre eigentlich, da auch in diesen Versuchen der Stickstoff für die
Pilze zugänglich war, mit höheren Abbauraten zu rechnen gewesen. Die geringen Abbauraten
sind daher auf evtl. schwache Pilzkulturen zurückzuführen, da die Versuchsbedingungen über
den gesamten Zeitraum von 200 Tagen konstant gehalten wurden. Ein weiterer Aspekt, der
für schwache Kulturen spricht, ist die Tatsache, dass das Pilzmycel über den gesamten
Versuchszeitraum nicht sehr tief in die MDF-Proben eingewachsen ist.
Ergebnisse & Diskussion 211
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
Holzabbau durch den Braunfäulepilz Coniophora puteana an 14C-u markierten Protein gebundenen MDF
W P III 447388,3 dpm (7,46 kBq)W P IV 418792,3 dpm (6,98 kBq)Nährmedium: MYA
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-69: Holzzersetzung durch Coniophora puteana an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-Proben
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20 Holzabbau durch die Moderfäule Trichoderma viridiae an 14C-u markierten Portein gebundenen MDF
W P V 427094,4 dpm (7,12 kBq)W P VI 438163,8 dpm (7,30 kBq)Nährmedium: Raulin
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-70: Holzzerstörung durch Trichoderma viridae an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-Platten
212 Ergebnisse & Diskussion
Auch bei dem zweiten in diesen Versuchsserien verwendeten Weißfäulepilz Trametes villosa
konnte nach Beendigung des Versuches eine deutliche Holzzersetzung bei den 14C-U
markierten und mit Weizenprotein gebundenen MDF-Proben festgestellt werden. Dieser
Weißfäulepilz kann aufgrund seiner enzymatischen Ausstattung, genau wie Trametes
versicolor, die im Holz enthaltenen Hauptbestandteile Lignin, Cellulose und Hemicellulose
abbauen (HAIDER und TROJANOWSKI, 1975; LIESE, 1981; RAYNER und BODDY, 1988)). Die
Verläufe der beiden parallelen Holzabbauversuche, dargestellt in Abbildung 4-71, zeigen
unterschiedliche Degradationsraten von 9,5 % bzw. 16 %. Die Kurven weisen ab dem 20.
Versuchstag ungleichmäßige Degradationsraten auf. Später durchgeführte
Lichtmikroskopische Untersuchungen der zersetzten MDF-Proben zeigten, dass das Mycel
von Trametes villosa die Proben in beiden Kolben fast vollständig durchwachsen hat und auf
diese Weise ein relativ hoher Abbaugrad erzielt werden konnte.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
25
30
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Holzabbau durch den W eißfäulepilz Tram etes villosa an 14C-u markierten Protein gebundenen MDF
W P V II 541478,2 dpm (9,03 kBq)W P V III 529486,3 dpm (8,83 kBq)N ährm edium : M PA
Tage
Abbildung 4-71: Holzabbau durch Trametes villosa an Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-Proben
Chaetomium globosum, ebenfalls ein Moderfäuleerreger wie Trichoderma viridae, weist
Holzzersetzungen an den mit Protein gebundenen 14C-U markierten MDF-Proben von 4,30 %
bzw. 4,75 % auf (vgl. Abbildung 4-72). Diese Werte sind für einen Schimmelpilz, der
hauptsächlich die im Holz enthaltenen C-Atome sowie die Cellulose abbaut (SEIFERT, 1966)
Ergebnisse & Diskussion 213
sehr gering, da dieser Holzbestandteil in einer für Pilze einfach aufzuschließenden Form
vorliegt (vgl. Kapitel 2.1.3.2). Chaetomium globosum ist unter optimalen Bedingungen ein
sehr aggressiver Holzzerstörer, da er die Cellulose sofort zu CO2 und H2O abbaut und keine
Depolymerisate entstehen (AMMER und LIESE, 1965). Setzt man den gleichmäßigen Abbau
von radioaktivem und inaktivem Material voraus, so würden Abbauraten von ca. 8,60 % bis
9,50 % über den Zeitraum von 200 Tagen erreicht. Diese Werte fallen dann jedoch immer
noch wesentlich geringer aus als die in Kapitel 4.3.1 dargestellten Abbauraten von 16,1 %, die
von Trichoderma viridae an vollständig inaktiven MDF-Proben gemessen wurden. Auch die
Lichtmikroskopischen Untersuchungen der mit Chaetomium globosum infizierten MDF-
Proben zeigten, dass das Pilzmycel über den gesamten Versuchszeitraum nicht bis in die
Mitte der Proben gewachsen war. Rein äußerlich hingegen waren die Proben sehr homogen
mit dem Pilzmycel überzogen und zeigten auch keine Fremdinfektionen.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Holzabbau durch die Moderfäule Chaetomium globosum an 14C-u markierten Protein gebundenen MDF
W P IX 553470,0 dpm (9,23 kBq)W P X 530408,8 dpm (8,84 kBq)Nährm edium: MPA
Tage
Abbildung 4-72: Holzdegradation durch Chaetomium globosum an Protein gebundenen 14C-U markierten Mitteldichten Faserplatten
Um festzustellen, ob das 14C-U markierte Material in den verwendeten Weizenprotein
gebundenen MDF-Proben im gleichen Umfang durch die Holzzerstörenden Pilze degradiert
wurde wie das inaktive Material, werden die nach der 14C-Messmethode ermittelten Resultate
der Weizenprotein gebundenen Proben WP I bis X mit den Masseverlusten dieser MDF-
214 Ergebnisse & Diskussion
Proben über den Versuchszeitraum als Mittelwerte verglichen. Diese Ergebnisse sind in
Abbildung 4-73 graphisch dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass bei keiner der in diesen
Versuchen verwendeten Pilzarten ein gleichmäßiger Abbau von radioaktivem und inaktivem
Material stattgefunden hat. Mit Ausnahme der beiden Weißfäulepilze Trametes versicolor und
Trametes villosa ist in allen Versuchen ein wesentlich höherer Prozentsatz an inaktivem
Material als an radioaktivem 14C-U markiertem Material abgebaut worden. Dies ist unter
anderem durch den Abbau des in den MDF-Proben befindlichen Bindemittels, bestehend aus
Weizenproteinen, Hemicellulosen, hochwertigen Zuckern und den Fasern des
Weizenmaterials (vgl. Kapitel 4.1.3.1.1) begründet. Das Bindemittel hat an den MDF-Proben
einen Masseanteil von 15 %. Der Abbau dieser Stoffe kann bei der radimetrischen
Messmethode nicht berücksichtigt werden, da es sich um inaktives Material handelt. Bei der
Zersetzung anhand der Masseverluste hingegen wird auch der Abbau des Bindemittels
berücksichtigt. Ein weiteres Indiz für den Abbau des naturnahen Weizenproteins durch die
Holzzersetzenden Pilze ist die Tatsache, dass bei allen untersuchten Protein gebundenen
MDF-Proben nach der Beendigung des Abbauversuches keine Querzugfestigkeiten mehr
messbar waren, da alle MDF-Proben nach der Trockengewichtsbestimmung unter leichtem
Druck zerfielen. Den Weiß-, Braun- und Moderfäulepilzen diente anscheinend das
Bindemittel als wichtige Nahrungsquelle, da es sich hierbei um wichtige und leicht
zersetzbare Komponenten für die Pilze handelt. Alleine mit dem Bindemittelabbau können die
Differenzen bei Coniophora puteana, Trichoderma viridae und Chaetomium globosum jedoch
nicht begründet werden, da in diesem Fall auch die Weißfäulepilze stärkere Unterschiede in
den Ergebnissen aufweisen müssten. Da die Lichtmikroskopischen Untersuchungen zeigten,
dass nur die mit Weißfäulepilze beimpften Proben vollständig mit Mycel durchzogen waren,
haben sie auch die Möglichkeit gehabt möglichst viel aktives Material abzubauen. Die Braun-
und Moderfäuleerreger hingegen haben die Proben mit ihrem Mycel nicht vollständig
durchwachsen und konnten somit das in der Plattenmitte befindliche radioaktive Material
nicht abbauen. Bei der Herstellung der Proben wurde sehr darauf geachtet, dass das
radioaktive Material möglichst homogen in den MDF-Platten verteilt wurde, damit von
Versuchsbeginn an Werte nach der 14C-Messmethode ermittelt werden konnten. Die Braun-
und Moderfäuleerreger zählen jedoch nicht zu den simultan abbauenden Pilzarten. Das
bedeutet nicht nur, dass sie die Holzbestandteile nicht simultan abbauen können, sondern dass
auch das Mycelwachstum und die Zersetzung der Holzkomponenten nicht parallel ablaufen
(SCHWARZE, 1999). In diesem konkreten Fall erklärt dies auch die hohen Differenzen, die bei
diesen Pilzen im Vergleich zu den Ergebnissen nach der 14C-Methode und nach dem
Ergebnisse & Diskussion 215
Masseverlust der Proben ermittelt wurden. Zu Versuchsbeginn ist das Pilzmycel vermutlich
unter Zersetzung von Lignin in die Proben eingewachsen. Danach wurden vorwiegend die im
Bereich der Hyphen befindlichen Komponenten Cellulose, Hemicellulose, Zucker sowie die
Bestandteile des Bindemittels unter Reduzierung der Lignindegradation abgebaut. Dadurch
wurde das radioaktive Material nur in einem begrenzten Bereich der Probe abgebaut, was die
niedrigen Ergebnisse der 14C-Messmethode erklärt. Auch die flachen Verläufe der Abbauraten
des mit 14C-U markierten Materials durch die Braun- und Moderfäuleerreger (vgl. dazu auch
Abbildung 4-69, Abbildung 4-70 und Abbildung 4-72) untermauern diese Theorie. Dagegen
ist bei beiden Weißfäulepilzen ein deutlicher Anstieg der Abbauraten (vgl. Abbildung 4-68
und Abbildung 4-71) zu verzeichnen, der sich durch das stetige Mycelwachstum und den
simultanen Abbau der Holzbestandteile erklären lässt. Die Weißfäulepilze haben aufgrund
ihres stärkeren Mycelwachstums in den Proben neben dem höheren Anteil an radioaktivem
Material auch mengenmäßig mehr von dem enthaltenen Bindemittel abgebaut, was dazu
führte, dass sich die Ergebnisse der 14C-Messmethode nicht wesentlich von den Ergebnissen
des Masseverlustes unterscheiden.
15
25,1
12,5
18,2
4
16,3
4
16,5
4,5
14,9
0
5
10
15
20
25
30
Zers
etzu
ng (%
)
Trametesversicolor, WP I +
II
Trametes villosa,WP VII + VIII
Coniophoraputeana, WP III +
IV
Trichodermaviridiae, WP V + VI
Chaetomiumglobosum, WP IX +
X
Pilzart, MDF-Probe
Vergleich der Degradation von Weizenprotein gebundenen MDF-Proben zwischen 14C-Messmethode und Masseverlust
Abbau nach 14C (%) Masseverlust (%)
Abbildung 4-73: Masseverluste und Ergebnisse der 14C-Messung der Proben WP I bis X während der Degradation durch Holzzerstörende Pilze
Die Ergebnisse der Holzabbauraten an den 14C-U-Cellulose und 14C-U–Lignin markierten
MDF-Proben, dargestellt in Abbildung 4-74 bis Abbildung 4-83, ermöglichen es, die bei den 14C-U markierten und Protein gebundenen MDF-Platten beschriebene Holzzersetzung (vgl.
216 Ergebnisse & Diskussion
Abbildung 4-65 bis Abbildung 4-72) hinsichtlich der Holzbestandteile Lignin (vgl. Kapitel
2.1.3.1) und Cellulose (vgl. Kapitel 2.1.3.2) genauer zu quantifizieren. Da die Abbauraten von
Cellulose und Lignin in den meisten Fällen zusammenhängen bzw. parallel ablaufen (vgl.
dazu Kapitel 2.6), werden in der folgenden Diskussion immer die abgebauten Mengen der
einzelnen Holzbestandteile einer Pilzart zusammen betrachtet und abschließend anhand dieser
Ergebnisse der Grad der Holzdegradation bestimmt. Die Ergebnisse zur Bestimmung des
Ligninabbaus wurden über einen Versuchszeitraum von 128 Tagen ermittelt. Daher können
die Ergebnisse des 14C-U Celloluseabbauversuchs, der insgesamt über 220 Tage verlief, nur
bis zum 120. Tag mit den Ligninabbauraten verglichen werden. Es ist zu erkennen, dass die
Ligninabbauraten bereits nach 120 Tagen bei den meisten verwendeten Pilzarten bereits
stagnieren. Nur bei den Weißfäulepilzen ist zu erkennen, dass noch mit einer weiteren
Steigerung des Ligninabbaus über den 128. Tag hinaus zu rechnen wäre.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
1
6
11
16
21
26
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Holzabbau durch den Weißfäulepilz Trametes versicolor an 14C-u-Cellulose markierten MDF
CW P I 438305,5 dpm (7,31 kBq)CW P II 388266,4 dpm (6,47 kBq)Nährm edium : BSM
Tage
Abbildung 4-74: Abbau des 14C-U-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes versicolor
Ergebnisse & Diskussion 217
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
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35
40G
emes
sene
s 14
CO
2 in %
Holzabbau durch den W eißfäulepilz Tram etes vers ico lor an 14C -u-Lignin m arkierten M DF
LW P I 386857 ,6 dpm (6 ,45 kB q)LW P II 390507 ,2 dpm (6 ,51 kB q)N ährm ed ium : B S M
T age
Abbildung 4-75: Abbau des 14C-U-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes versicolor
Die beiden in Abbildung 4-74 dargestellten Kurven der Weizenprotein gebundenen MDF-
Proben, deren 14C-U-Cellulose durch den Weißfäulepilz Trametes versicolor abgebaut wurde,
weisen über den gesamten Versuchszeitraum von 220 Tagen einen sehr homogenen Verlauf
auf. Dabei werden Abbauraten bzgl. der Cellulose von 17,25 % bzw. 19,75 % erzielt. Ein
Beweis dafür, dass es sich bei der Cellulose um ein für Weißfäulepilze relativ leicht
aufzuschließendes Material handelt, zeigen die raschen Anstiege beider Degradationskurven
innerhalb der ersten 40 Versuchstage. Am 40. Tag wurde ein Gesamtabbau von ca. 6,0 %
ermittelt, was bezogen auf die gesamte Versuchsdauer von 220 Tagen bereits über ein Drittel
der in diesem Zeitraum abgebauten Menge an Cellulose darstellt. Der Abbau steigt auch über
den weiteren Versuchszeitraum noch an. Der Kurvenverlauf zeigt zu Versuchsende noch
keine Stagnation an, was auf einen weiteren Celluloseabbau schließen lässt.
Wie in Abbildung 4-75 zu sehen zeigen die Abbauraten des 14C-U markierten Lignins in den
MDF-Proben durch Trametes versicolor, über den gesamten Versuchszeitraum einen nicht so
gleichmäßigen Verlauf wie die Degradationskurven des 14C-U-Cellulosematerials. In den
ersten 40 Tagen des Versuches ist ein deckungsgleicher Verlauf der beiden Kurven
feststellbar, wobei nur sehr geringe Abbauraten von 2,5 % bis 3,5 % bis zum 40. Tag erzielt
218 Ergebnisse & Diskussion
wurden. Dies lässt sich eventuell auch mit dem vorwiegenden Abbau der Cellulose in diesem
Zeitraum begründen. Die Weißfäulepilze sind zwar in der Lage, die Holzbestandteile simultan
abzubauen (RAYNER und BODDY 1988, ERIKSON et al., 1990), jedoch werden zuerst die leicht
verfügbaren Bestandteile wie C-Atome, Zucker und Cellulose abgebaut (LIESE, 1981). Von
diesen Bestandteilen ist hier jedoch nur die Menge der abgebauten Cellulose (6,0 %) bekannt.
Ab dem 40. Tag ist in beiden Fällen zu erkennen, dass die Mengen des abgebauten 14C-U
markierten Lignins ansteigen. Dies ist ein Indiz für den stärkeren simultanen Abbau, da die
Degradation der Cellulose auch weiter ansteigt und nicht stagniert. Bei Versuchsende werden
Abbauraten bzgl. des in den MDF-Proben enthaltenen Lignins von 20,0 % und 33,0 % nach
128 Tagen durch Trametes versicolor erzielt. Die Kurven stagnieren zu diesem Zeitpunkt
noch nicht, was auf einen weiteren Anstieg des Ligninabbaus schließen lässt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass am 128. Tag des Versuches durchschnittlich ca.
26,5 % Lignin und 15,5 % Cellulose durch den Weißfäulepilz abgebaut wurden. Der
ermittelte Gesamtabbau an 14C-U markiertem Material von 12,5 % nach 128 Tagen (vgl.
Abbildung 4-68) kann damit hinsichtlich der Komponenten Cellulose und Lignin bestimmt
werden.
Am 220. Versuchstag sind, wie in Abbildung 4-68 dargestellt, nachweislich ca. 15,5 % des 14C-U markierten Materials abgebaut, wovon im Durchschnitt 18,5 % Cellulose sind. Da es
sich bei dem Weißfäulepilz Trametes versicolor um einen simultanen Abbau der
Holzkomponenten Lignin, Cellulose und Hemicellulose handelt, liegt der Anstieg des gesamt
abgebauten Materials von 12,5 % nach 128 Tagen auf 15,5 % nach 220 Tagen nicht nur in der
abgebauten Menge an Cellulose sondern vermutlich auch in einer weiteren Steigerung des
abgebauten Lignins begründet.
Prognostiziert man nach 220 Tagen für den, nach dem 120. Tag noch weiter ansteigenden
Ligninabbau realistische Werte von 40 % bis 50 %, so würden prozentual bei einem weiteren
simultanen Abbau der Holzbestandteile Cellulose und Lignin durch Trametes versicolor zu
diesem Zeitpunkt noch theoretisch 41,5 % bis 31,5 % der vollständig abgebauten Menge von
15,5 % übrig bleiben, die anhand der 14C-Messmethode nicht genauer bestimmt werden
können, da es sich um nicht radioaktiv markiertes Material handelt.
Ergebnisse & Diskussion 219
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
25
30 Holzabbau durch den Braunfäulepilz Coniophora puteana an 14C-u-Cellulose markierten MDF
CW P III 409579,3 dpm (6,83 kBq)CW P IV 429039,0 dpm (7,15 kBq)Nährm edium : MYA
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-76: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Coniophora puteana
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Holzabbau durch den B raunfäulepilz C o n io p h o ra p u tean a an 14C -u -L ignin m arkierten M DF
LW P V 37 68 21 ,2 dpm (6 ,28 kB q )LW P V I 37 31 71 ,6 dpm (6 ,22 kB q )N ä hrm ed ium : M Y A
T age
Abbildung 4-77: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Coniophora puteana
220 Ergebnisse & Diskussion
Der in Abbildung 4-76 graphisch dargestellte Abbau der 14C-U markierten Cellulose durch
den Braunfäulepilz Coniophora puteana ist mit 8,75 % über einen Zeitraum von 200 Tagen
ein durchschnittlicher Wert. Die Kurven der beiden Proben zeigen einen sehr gleichmäßigen
Verlauf und bereits nach einer kurzen Anwachsphase von 10 Tagen ist zu erkennen, dass der
Pilz anfängt die 14C-U-markierte Cellulose in der MDF-Probe zu zersetzen. Dies liegt auch in
der Eigenart der Braunfäulepilze ein Depot von leicht hydrolysierbaren Zwischenprodukten
anzulegen und sie zur späteren Deckung des Energiebedarfs zu nutzen (SEIFERT, 1965). Ab
dem 10. Tag ist ein deutlicher Anstieg der abgebauten Mengen an Cellulose feststellbar. Nach
20 Tagen hat der Braunfäulepilz 4,75 % der 14C-U markierten Cellulose in der MDF-Probe
abgebaut. Dies entspricht mehr als der Hälfte des über den gesamten Versuchsverlauf
gemessenen Celluloseabbaus von 8,75 %. Nach dem 20. Tag ist bei beiden der parallel
durchgeführten Versuche nur noch ein leichter, jedoch konstanter Anstieg der Abbaurate
feststellbar. Die Cellulose ist für den Braunfäulepilz Coniophora puteana ein leicht zu
zersetzendes Material, aber auch dieser Pilz wählt zunächst die leicht abzubauenden Stoffe
wie C-Atome oder Zucker (LIESE, 1981).
Die durch Coniophora puteana erzielten Abbauraten hinsichtlich des in den MDF-Proben
verarbeiteten 14C-U markierten Lignins über einen Zeitraum von 128 Tagen sind, wie in
Abbildung 4-77 dargestellt, mit durchschnittlich 2,0 % relativ gering. Dabei verlaufen die
Kurven der beiden Doppelbestimmungen fast deckungsgleich, was auf sehr homogene
Versuchsbedingungen schließen lässt. Der erste Abbau des 14C-U markierten Lignins war
bereits nach 4 bis 8 Tagen messbar. Das Lignin wurde zu diesem Zeitpunkt zu 0,2 %
abgebaut; dies entspricht einem Anteil von 10 % der über den kompletten Versuchszeitraum
abgebauten Menge an Lignin. Die Kurven der Ligninabbauraten sind nach dem leichten
Anstieg in den ersten vier Tagen jedoch durch einen sehr flachen, sogar fast stagnierenden
Verlauf charakterisiert. In diesem Verlauf zeigt sich, dass der Braunfäulepilz Coniophora
puteana aufgrund seiner enzymatischen Ausstattung durchaus zum Abbau von Lignin
befähigt ist, jedoch andere Holzbestandteile, wie C-Atome, Zucker, Cellulosen und
Hemicellulosen dem Lignin vorzieht (LIESE, 1981). Der Pilz hat die Oberfläche der MDF-
Probe mit seinem Mycel in allen angesetzten Kolben sehr gut überwachsen. Um in die MDF-
Probe hineinzuwachsen, musste er zu Beginn vermutlich das in der Probe enthaltene Lignin
abbauen. Damit ist dieser erste, im Vergleich zum Gesamtabbau höhere Abbaugrad von 0,2 %
nach 4 bis 8 Tagen zu erklären. Danach ist das Mycel vermutlich nur noch langsam in der
Probe weiter gewachsen. Der Pilz hat sich anscheinend stärker auf den Abbau der anderen
Holzbestandteile konzentriert. Die nur leicht ansteigende und nicht stagnierende Abbaurate
Ergebnisse & Diskussion 221
des Lignins ist wahrscheinlich ein Anzeichen dafür, dass das Pilzmycel nur sehr langsam
weiter durch die MDF-Probe gewachsen ist.
Abschließend kann hinsichtlich des Abbauverhaltens von 14C-U, 14C-U-Cellulose und 14C-U-
Lignin durch Coniophora puteana festgestellt werden, dass der nach 128 Tagen erzielte
Gesamtabbau von ca. 3,75 % (vgl. Abbildung 4-69) sich in 7,5 % Cellulose und 2,0 % Lignin
aufteilen lässt. Dadurch ergibt sich ein prozentualer, theoretischer Rest von 90,5 % bezogen
auf die gesamt abgebaute Menge von 3,75 %. Diese 90,5 % bilden sich aus den nicht
markierten Komponenten Lignin, Cellulose, Hemicellulose, Zucker und dem verwendeten
naturnahem Bindemittel auf Proteinbasis. Diese Werte entsprechen bereits in etwa den nach
200 Tagen erzielten Ergebnissen des Holzabbaus. Von den gesamt durch Coniophora puteana
abgebauten 4,0 % entfallen zu diesem Zeitpunkt 8,75 % auf die abgebaute Cellulose, das
Lignin wäre eventuell zu 2,5 % zu diesem Zeitpunkt abgebaut, wodurch sich ca. 88,75 % der
ursprünglich zersetzten MDF-Probe nach 200 Tagen hinsichtlich der Komponenten nach der 14C-Messmethode nicht genauer bestimmen lassen. Bei Betrachtung dieser Ergebnisse fällt
auf, dass durch die Zunahme des Versuchsumfangs von 128 auf 200 Tage der gesamte Abbau
nur noch von 3,75 % auf ca. 4,0 % erhöht werden kann und Coniophora puteana damit, einen
gleichmäßigen Abbau von radioaktivem und inaktivem Material vorausgesetzt, zu den eher
langsam Cellulose- und Ligninabbauenden Pilzen zählt.
222 Ergebnisse & Diskussion
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
25
30G
emes
sene
s 14
CO
2 in %
Holzabbau durch die Moderfäule Trichoderm a viridiae an 14C-u-Cellulose markierten MDF
CW P V 484638,0 dpm (8,08 kBq)CW P VI 416992,5 dpm (6,95 kBq)Nährm edium : Raulin
Tage
Abbildung 4-78: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Trichoderma viridae
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
H olzabbau durch d ie M oderfäu le T rich o derm a v irid iae an 14C -u -L ign in m arkierten M D F
LW P V II 37 682 1 ,2 dpm (6 ,28 kB q)LW P V III 39 871 8 ,8 dpm (6 ,65 kB q)N ä hrm e d ium : R a u lin
T age
Abbildung 4-79: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Trichoderma viridae
Ergebnisse & Diskussion 223
Die Abbaugrade, die durch die Moderfäule Trichoderma viridae an den 14C-U-Cellulose
markierten MDF-Proben erzielt wurden sind in Abbildung 4-78 dargestellt. Es sind dabei
Holzdegradationen der 14C-U-markierten Cellulose von 9,75 % bzw. 11,25 % nach der 14C-
Messmethode ermittelt worden. Dieses Ergebnis ist für eine Moderfäule, verglichen mit den
geringeren Ergebnissen von Coniophora puteana (vgl. Abbildung 4-76), relativ hoch.
Auffällig ist, dass bei Trichoderma viridae bereits 5 Tage nach Versuchsbeginn ein
Celluloseabbau messbar war. Auch die Besiedlung der MDF-Proben in beiden Kolben verlief
relativ schnell. Innerhalb von nur 10 Tagen waren die Proben vollständig mit dem Pilzmycel
überwachsen. Neben der schnellen Besiedlung der beiden MDF-Proben zeigen beide mit
Trichoderma viridae beimpften MDF-Proben hinsichtlich des Abbaus von 14C-U markiertem
Material einen fast deckungsgleichen Kurvenverlauf. Die Cellulose stellt auch für
Schimmelpilze eine einfach zu zersetzende Holzkomponente dar (SAVORY, 1958), die schnell
in Energie umgewandelt werden kann. Bei beiden Proben ist festzustellen, dass schon nach 20
Tagen ca. ein Drittel (3,75 %) der durchschnittlich über die gesamte Versuchszeit abgebauten
Cellulose (10,5 %) zersetzt sind. Nach dem 20. Versuchstag sind beide Kurven durch einen
leichten aber konstanten Anstieg charakterisiert. Dieser leichte Anstieg ist möglicherweise
darin begründet, dass neben der Cellulose auch andere Holzkomponenten sowie im
naturnahen Bindemittel befindliche Substanzen durch den Moderfäuleerreger abgebaut
werden.
Der Abbau des 14C-U markierten Lignins in den MDF-Proben durch Trichoderma viridae ist
in Abbildung 4-79 wiedergegeben. Dabei ist ein ähnlicher, fast deckungsgleicher Verlauf wie
bei dem zuvor diskutierten Ergebnis des Braunfäulepilzes Coniophora puteana zu erkennen.
Moderfäuleerreger können aufgrund ihrer enzymatischen Voraussetzungen Lignin nur sehr
langsam und daher nur in sehr begrenztem Umfang zersetzen (SAVORY, 1958; SEIFERT, 1966;
SCHWARZE 1999). Dies zeigt sich auch bei der durchschnittlichen Degradationsrate von 2,5 %
innerhalb von 128 Tagen. Es ist jedoch auch bei Trichoderma viridae zu erkennen, dass
Lignin hauptsächlich zu Beginn des Versuches abgebaut wird. Nach 20 Tagen sind bereits
1,25 %, d.h. die Hälfte des im gesamten Versuch abgebauten Lignins zersetzt. Danach zeigt
die Abbaukurve nur noch einen leichten Anstieg. Dies hängt vermutlich mit der
Besiedlungsphase der MDF-Probe durch den Pilz zusammen. Auch die beiden mit 14C-U-
Lignin hergestellten MDF-Proben waren bereits nach 10 Tagen vollständig mit Pilzmycel
überwachsen. Die Strategie des Pilzes ist es anscheinend, möglichst schnell in die Probe
einzuwachsen, und danach dann andere Holzkomponenten, wie z.B. die Cellulose, C-Atome
224 Ergebnisse & Diskussion
und Zucker abzubauen. Der Abbau des Lignins scheint bei diesem Pilz auch an die
Wachstumsphase des Pilzmycels gekoppelt zu sein.
Der in Abbildung 4-70 dargestellte Abbau von 3,0 % des 14C-U markierten Materials in der
MDF-Probe nach 128 Tagen durch Trichoderma viridae kann aufgrund dieser Erkenntnisse in
ca. 8,5 % Cellulose und 2,5 % Lignin aufgeteilt werden. Die übrigen 89 % der total
abgebauten Masse verteilen sich auf die Holzkomponenten und die festen Bestandteile des
Weizenproteins, die nicht radioaktiv markiert waren. Bei Betrachtung dieser Ergebnisse fällt
auf, dass auch der Moderfäuleerreger Trichoderma viridae zu den eher langsamen Cellulose-
und Ligninabbauen Pilzen gehört.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
25
30 Holzabbau durch den Weißfäulepilz Trametes villosa an 14C-u-Cellulose markierten MDF
CW P VII 459618,4 dpm (7,66 kBq)CW P VIII 431818,9 dpm (7,20 kBq)Nährm edium : MPA
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
Tage
Abbildung 4-80: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes villosa
Der zweite verwendete Weißfäulepilz, Trametes villosa, zeigt hinsichtlich der Zersetzung des 14C-U-Cellulose markierten Materials in den untersuchten MDF-Proben voneinander
abweichende Werte. Dabei wurden in den beiden Kolben, wie in Abbildung 4-80 graphisch
dargestellt, Degradationsraten von 12,5 % bzw. 18,25 % erzielt. Im Bereich der ersten 20
Versuchstage ist ein sehr flacher Verlauf der beiden Kurven festzustellen. Bis zum 15. Tag
des Versuches wurden in beiden Versuchsansätzen durchschnittlich 1,1 % der eingesetzten
radioaktiven Cellulose von dem Weißfäulepilz abgebaut. Der Bewuchs der MDF-Proben
Ergebnisse & Diskussion 225
durch Trametes villosa war nach 14 Tagen soweit vorangeschritten, dass die Proben
vollständig mit dem Pilzmycel überzogen waren. Ab dem 20. Tag steigen die Abbauraten in
den beiden Kolben auf 2,5 % an; danach ist ein gleichmäßiger Anstieg der beiden Kurven bis
zum 40. Versuchstag zu erkennen. Ab dem 40. Tag weisen die Kurven einen
unterschiedlichen Verlauf auf, was auf geänderte Versuchsbedingungen in den Kolben
zurückzuführen ist, da die äußeren Bedingungen, wie z.B. die Temperaturen im
Wärmeschrank, über den gesamten Versuchsverlauf von 220 Tagen konstant gehalten
wurden. Es war auch visuell keine Infektion durch andere Pilze zu erkennen, so dass sich die
voneinander abweichen Abbauraten nur durch unterschiedlich aktives Mycel bzw. durch eine
unterschiedliche Morphologie der zu zersetzenden MDF-Proben erklären lassen. Obwohl die
Herstellung der 14C-U radioaktiven MDF-Proben für alle hier beschriebenen Versuche analog
verlief, können unterschiedliche Verdichtungen beim abschließenden Heißpressvorgang nicht
kategorisch ausgeschlossen werden. Auffällig bei der Betrachtung des 14C-U-Celluloseabbaus
durch Trametes villosa ist, dass diese Kurven ähnlich verlaufen wie die in Abbildung 4-65
dargestellten Abbauraten durch Trametes versicolor an 14C-U markierter Cellulose.
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
H o lzab b au d u rch d en W e iß fäu lep ilz T ra m e te s v illo s a an 14C -u -L ig n in m ark ie rten M D F
L W P III 4 0 1 4 5 6 ,0 d p m (6 ,6 9 k B q )L W P IV 3 7 3 1 7 1 ,6 d p m (6 ,2 2 k B q )N ä h rm e d iu m : M P A
T a g e
Abbildung 4-81: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Trametes villosa
Ein relativ inhomogener Verlauf ist bei den graphischen Darstellungen des 14C-U-Lignin
markierten Materials der MDF-Proben durch Trametes villosa zu erkennen (vgl. dazu
226 Ergebnisse & Diskussion
Abbildung 4-81). Dies wird vor allem bei den unterschiedlichen Gesamtabbauraten von
einerseits 4 % bzw. im parallel angesetzten Kolben von 16 % deutlich. Die Tatsache, dass
sich die hier nach der 14C-Messmethode ermittelten Werte der beiden Doppelbestimmungen
um den Faktor vier unterscheiden, lässt sich nur durch eine unterschiedliche Grundaktivität
des verwendeten Pilzmycels erklären. Da die Kolben einen gleichmäßigen Bewuchs auf den
Nährmedien wie auch auf den zu zersetzenden MDF-Proben durch das Pilzmycel aufwiesen,
war davon auszugehen, dass es sich um parallele verlaufene und damit vergleichbare
Versuchsansätze handelte. Es konnte im Verlauf des Versuches auch keine Fremdinfektion
durch andere Pilze in den Kolben festgestellt werden. Das Mycel in beiden Kolben wurde von
der gleichen Agarplatte überimpft. Somit können die voneinander abweichenden Abbauraten
nur darin begründet sein, dass bei dem Ausstechen des Mycels mit Hilfe eines Korkbohrers
bzw. dem Überimpfen des Mycels mit Hilfe einer Nadel, im Falle des geringeren Abbaus an 14C-U markiertem Lignin das Mycel beschädigt und damit die Aktivität der Kultur negativ
beeinflusst wurde. Für die weitere Diskussion werden nur die höheren Abbauraten verwendet,
da die geringeren Abbauraten aufgrund der beschriebenen Beschädigung des Mycels keine
realistischen Werte darstellen. Die daraus gefolgerten Schlüsse sind daher rein theoretischer
Art, da es sich aufgrund des geringen Umfangs der erzielten Resultate um keine signifikanten
Ergebnisse handelt.
Nach 128 Tagen wurde durch Trametes villosa an den 14C-U markierten MDF-Platten ein
Abbau des radioaktiven Materials von 13,0 % nach der 14C-Messmethode errechnet (vgl. dazu
Abbildung 4-71). Diese 13,0 % lassen sich zu diesem Zeitpunkt anhand der zusätzlichen
Abbauversuche mit 14C-U markierter Cellulose bzw. 14C-U markiertem Lignin in 16,0 %
Lignin und 12,5 % Cellulose unterteilen. Die übrigen 71,5 % des abgebauten 14C-U
markierten Materials in der MDF-Probe teilen sich in die inaktiven Bestandteile Lignin,
Cellulose, Hemicellulose sowie Zucker und die Komponenten des naturnahen Bindemittels
auf. Ähnlich wie bei den erzielten Abbauraten durch Trametes versicolor baut auch Trametes
villosa prozentual auf den Gesamtabbau der Holzkomponenten mehr Lignin als Cellulose ab.
Dies ist im simultanen Abbau der Holzkomponenten durch Weißfäulepilze begründet. Der
Abbau von Lignin ist bei den Weißfäulepilzen nicht nur an das Mycelwachstum gekoppelt,
wie beispielsweise bei den Braunfäulepilzen und Moderfäuleerregern, sondern dient dem Pilz
auch neben dem Abbau der anderen Holzkomponenten wie Hemicellulose und Cellulose als
Nahrungs- und somit auch als Energiequelle (TROJANOWSKI et al., 1985).
Ergebnisse & Diskussion 227
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
5
10
15
20
25
30 Holzabbau durch die M oderfäule Chaetom ium glosbosum an 14C-u-Cellulose markierten MDF
C W P IX 473518,2 dpm (7 ,89 kBq)C W P X 436413,5 dpm (7 ,27 kBq)N ährm edium : M P A
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
T age
Abbildung 4-82: Abbau des 14C-Cellulose markierten Materials in den MDF-Proben durch Chaetomium globosum
Die Moderfäule Chaetomium globosum zeigt in der graphischen Darstellung hinsichtlich des 14C-U-Cellulose markierten Materials sehr homogene Ergebnisse (vgl. Abbildung 4-82). Die
beiden fast deckungsgleich verlaufenden Kurven zeigen bezüglich der in den MDF-Proben
enthaltenen und markierten Cellulose einen durchschnittlichen Gesamtabbau von 10 % über
den Versuchszeitraum von 220 Tagen. Dieser Mittelwert ist durchaus mit dem von
Trichoderma viridae erzielten Abbauraten (vgl. dazu Abbildung 4-78) vergleichbar. Die
Proben waren innerhalb von 10 Tagen vollständig mit dem Pilzmycel von Chaetomium
globosum überwachsen. Da beide Kurven einen sehr gleichmäßigen Verlauf aufweisen,
können relativ homogene Versuchsbedingungen und damit realistische Werte zugrunde gelegt
werden. Die Kurven weisen jeweils einen sehr flachen Anstieg in den ersten 5 Tagen des
Versuches auf. Nach 10 Tagen Laufzeit war die markierte Cellulose erst zu 0,4 % abgebaut.
Bis zum 20. Versuchstag jedoch konnte bereits ein Abbau von 2,5 % der Cellulose ermittelt
werden. Das entspricht einem Viertel der in diesem Versuch gesamt abgebauten Cellulose.
Zwischen dem 20. und dem 40. Tag des Versuches kam es, verglichen mit den ersten 20
Tagen, in beiden Kolben zu einem geringeren Abbau. Ab dem 40. Tag steigen die beiden
Kurven wieder eindeutig an und halten diesen Anstieg bis zur Beendigung des Versuchs am
200. Tag konstant. Verglichen mit der Degradation der 14C-U markierten Cellulose durch
228 Ergebnisse & Diskussion
Trichoderma viridae zeigt sich auch bei Chaetomium globosum in dieser Versuchsreihe ein
ähnliches Abbauverhalten bezüglich dieser Holzkomponente.
0 20 40 60 80 100 1200
5
10
15
20
Gem
esse
nes
14C
O2 in
%
H olzabbau durch d ie M oderfäu le C h aeto m iu m g lo b o su m an 14C -u -L ign in m arkierten M D F
L W P IX 39 32 4 4 ,4 dp m (6 ,5 5 kB q )L W P X 39 85 9 4 ,8 dp m (6 ,6 4 kB q )N ä hrm e d ium : M P A
T age
Abbildung 4-83: Abbau des 14C-Lignin markierten Materials in den MDF-Proben durch Chaetomium globosum
Auch die durch Chaetomium globosum abgebauten Mengen an 14C-U-Lignin unterscheiden
sich nicht sehr von den durch Trichoderma viridae erzielten, geringen Degradationsraten.
Dies ist in der graphischen Darstellung der Ergebnisse ersichtlich (vgl. dazu auch Abbildung
4-83). Obwohl die MDF-Proben innerhalb von 10 Tagen vollständig mit Pilzmycel
überwachsen waren, wurde nur sehr wenig Lignin abgebaut, was auch in dem sehr flachen
Anstieg der dargestellten Kurven zu erkennen ist. Bis zum 20. Tag wurden lediglich 0,7 %
des markierten Lignins durch den Pilz zersetzt, was bereits die Hälfte des in diesem Versuch
gesamt abgebauten Lignins. Nach 128 Tagen wurden lediglich 1,3 % des 14C-U-Lignins
abgebaut. Das ist 0,7 % weniger verglichen mit Trichoderma viridae. Beide Kurven dieser
Doppelbestimmung sind zwischen dem 20. und dem 60. Versuchstag durch einen flacheren
Verlauf charakterisiert, verglichen mit den ersten zwanzig Tagen dieses Versuches. Ab dem
60. Versuchstag ist nur noch eine sehr geringe Steigung zu erkennen. Die Kurven stagnieren
fast.
Ergebnisse & Diskussion 229
Auch bei dem Moderfäuleerreger Chaetomium globosum kann festgestellt werden, dass der
Ligninabbau anscheinend mit dem Mycelwachstum im Holz zusammenhängt, da nur während
der ersten Bewuchsphase ein erhöhter Ligninabbau zu verzeichnen war. Lichtmikroskopische
Aufnahmen zeigten, dass das Pilzmycel über den gesamten Versuchszeitraum nicht sehr tief
in die MDF-Proben hineingewachsen war. Der Pilz baut über den gesamten, vergleichbaren
Zeitraum erwartungsgemäß deutlich mehr Cellulose als Lignin ab (SEIFERT, 1966), jedoch
dienen dem Pilz vermutlich vorwiegend die C-Atome und Zucker als Nahrungsquelle
(SAVORY et al., 1958), da sie die am einfachsten zu zersetzenden Komponenten im Holz und
im Bindemittel darstellen.
Bei allen verwendeten Weißfäule- und Braunfäulepilzen sowie auch bei den untersuchten
Moderfäuleerregern ist festzustellen, dass sich mit Hilfe der 14C-Messmethode die Abbauraten
des vollständig 14C-U markierten Materials hinsichtlich der Komponenten Lignin und
Cellulose unter Verwendung von 14C-U markierter Cellulose und 14C-U markiertem Lignin
genauer bestimmen lassen. Des Weiteren war bei allen Versuchen deutlich zu erkennen, dass
sich nach dieser Messmethode die einzelnen Bestandteile Lignin und Cellulose bezogen auf
die gesamte abgebaute Menge, genauer quantifizieren ließen. Bei den Weißfäulepilzen
konnten bis zu ca. ein Drittel der vollständig abgebauten Menge im Hinblick auf die
abgebauten Anteile an Lignin und Cellulose genauer bestimmt werden. Bei den
Braunfäulepilzen konnte der vollständig nach der 14C-Messmethode ermittelte Abbaugrad zu
ca. einem Zehntel hinsichtlich dieser Holzhauptbestandteile genauer bestimmt werden. Bei
den Moderfäuleerregern ließen sich die Abbaugrade des 14C-U markierten Materials zu ca.
einem Sechstel in die Bestandteile Cellulose und Lignin differenzieren. Diese geringen
Bestimmungsgrade sind unter anderem in der Tatsache begründet, dass von dem radioaktiven
Material mengenmäßig wesentlich weniger in den MDF-Proben verarbeitet war, verglichen
mit dem inaktiven Material. Die Verteilung des radioaktiven Materials in den MDF-Proben
war jedoch sehr homogen, so dass der Abbau dieses Materials mit der gleichen
Wahrscheinlichkeit stattfinden konnte wie der Abbau der inaktiven Komponenten. Anderseits
konnte dies nur erreicht werden, wenn die MDF-Proben vollständig durchwachsen wurden.
Wurden die Proben jedoch, wie im Fall der Braun- und Moderfäuleerreger, nicht vollständig
mit Mycel durchzogen, konnten auch nur geringere Mengen des radioaktiven Materials
zersetzt werden.
Ein weiterer Grund für die nicht genauer zu differenzierenden Abbaugrade lässt sich mit den
unterschiedlichen Abbaustrategien dieser Pilz erklären (vgl. Kapitel 2.6 ff.). Da nicht alle
230 Ergebnisse & Diskussion
Pilze aufgrund ihrer enzymatischen Voraussetzungen in der Lage sind die Komponenten
Lignin, Cellulose, Hemicellulose sowie weitere Holzbestandteile gleichmäßig abzubauen
(KIRK und KELMAN, 1965; TROJANOWSKI und HÜTTERMANN, 1987; ERIKSON, 1990), ergeben
sich Unterschiede hinsichtlich der abgebauten Mengen an Cellulose und Lignin. Die
Braunfäulepilze und Moderfäuleerreger können Lignin nicht in den Mengen abbauen wie es
bei den Weißfäulepilzen der Fall ist, da sie nicht zum simultanen Abbau der Bestandteile
befähigt sind (SCHWARZE et al., 1999). Das Lignin wird bei den Moderfäuleerregern und den
Braunfäulepilzen anscheinend hauptsächlich während des Mycelwachstums abgebaut und
dient dem Pilz nicht als Hauptgrundlage zur Energiegewinnung (LIESE, 1981). Setzt man die
Abbauraten der beiden in diesen Versuchen untersuchten Komponenten Cellulose und Lignin
nach 128 Tagen Versuchslaufzeit in Zusammenhang, so können aus diesen Beziehungen
Schlüsse der einzelnen Pilzarten hinsichtlich ihres Abbauverhaltens gezogen und Präferenzen
bzgl. der abgebauten Holzbestandteile festgestellt werden. Diese Abbauraten zwischen Lignin
und Cellulose, unterschieden nach den verwendeten Pilzarten, sind in der folgenden Tabelle
4-6 aufgeführt.
Tabelle 4-6: Abbauverhältnisse zwischen 14C-U markierter Cellulose und 14C-U markiertem Lignin bei den verwendeten Weißfäule-, Braunfäule und Moderfäuleerregern
Abbau nach 128 Tagen Cellulose Lignin
Pilzart
Verhältnis Verhältnis
Trametes versicolor 1 2,1 Trametes villosa 1 1,28 Coniophora puteana 3,75 1 Trichoderma viridae 3,50 1 Chaetomium globosum 5,77 1
Bei Betrachtung der in Tabelle 4-6 dargestellten Verhältnisse zwischen den Abbaugraden von 14C-U markierter Cellulose und 14C-U markiertem Lignin wird ersichtlich, dass die beiden in
diesen Holzabbauversuchen verwendeten Weißfäulepilze Trametes versicolor und Trametes
villosa nicht nur die höchsten Ligninabbauraten aufweisen, sondern diesen
Holzhauptbestandteil auch im Verhältnis zur einfacher aufzuschließenden Cellulose stärker
abbauen. Die beiden zum simultanen Abbau der Holzkomponenten befähigten Weißfäulepilze
weisen Verhältnisse von abgebauter Cellulose zu abgebautem Lignin von 1:2,1 bzw. 1:1,28
auf. Der Braunfäulepilz Coniophora puteana baut, wie auch die in diesen Versuchen
verwendeten Moderfäuleerreger Trichoderma viridae und Chaetomium globosum mehr
Ergebnisse & Diskussion 231
Cellulose als Lignin ab. Wobei die Verhältnisse von abgebauter Cellulose zu abgebautem
Lignin von 3,75:1 bei Coniophora über 3,50:1 bei Trichoderma bis hin zu 5,77:1 bei
Chaetomium reichen.
4.3.3 Kompostierung von 14C-U markierten Mitteldichten Faserplatten
In Abbildung 4-84 sind die Ergebnisse des Kompostierungsversuches mit 14C-U markierten
Mitteldichten Faserplatten graphisch dargestellt. Die Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
weisen hinsichtlich der drei verwendeten, unterschiedlichen Substrate von einander
abweichende Kompostierungsgrade auf. Dabei wurde der Grad der Kompostierung anhand
des über die Versuchsdauer von den Bodenmikroorganismen abgegebenen und mit Hilfe der
Natronlauge aufgefangenen 14CO2 ermittelt. Die Aktivität des durch die Kompostierung
freigesetzten 14CO2 wurde prozentual zur anfangs im Holzwerkstoff gesamt eingesetzten
Menge (vgl. Tabelle 3-30) berechnet. Diese Werte addiert ergeben die in Abbildung 4-84
dargestellten Graphiken.
0 50 100 150 200 250 3000,0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
Gefäß1: Blumenerde Gefäß2: Nadelholzsubstrat Gefäß3: Laubholzsubstrat
Kompostierung von Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
Aufg
enom
men
es 14
CO
2 in %
Tage
Abbildung 4-84: Ergebnisse der Kompostierungsversuche mit Weizenprotein gebundenen MDF-Platten
232 Ergebnisse & Diskussion
Es ist deutlich zu erkennen, dass nach dieser radiometrischen Messmethode das beste
Kompostierungsresultat mit dem Laubholzsubstrat (Gefäß 3, Probe L) erzielt wurde. Die
Weizenprotein gebundene Mitteldichte Faserplatte wurde im Laubholzsubstrat über eine
Versuchsdauer von 300 Tagen zu ca. 12,5 % kompostiert. Die Weizenprotein gebundene
MDF-Probe, die in der Blumenerde (Gefäß 1, Probe B) gelagert wurde, konnte über den
gleichen Versuchszeitraum zu 9,4 % kompostiert werden, was auf eine geringere Aktivität der
in der Blumenerde befindlichen Mikroorganismen im Vergleich zu den im Laubholzsubstrat
enthaltenen Mikroorganismen schließen lässt. Die im Nadelholzsubstrat gelagerte,
Weizenprotein gebundene Mitteldichte Faserplatte (Gefäß 1, Probe N) wurde nach der 14C-
Messmethode über den Versuchszeitraum von 300 Tagen zu lediglich 4,9 % durch die im
Substrat befindlichen Mirkoorganismen kompostiert. Bei der Referenz, nicht in Abbildung
4-84 dargestellt, wurde über den gesamten Versuchszeitraum von 300 Tagen keine Aktivität
in der Natronlauge festgestellt. Somit fand bei der Weizenprotein gebundenen Mitteldichten
Faserplatte ohne Substrat auch keine Kompostierung statt.
Da es sich bei der 14C-Messmethode um ein Verfahren handelt, bei dem lediglich der
Verbrauch der anfangs eingesetzten Aktivität über einen definierten Versuchszeitraum
ermittelt wird, gibt diese radiometrisch Messmethode nicht die tatsächlichen
Kompostierungsgrade wieder. Es werden ausschließlich die Mengen an 14C-markiertem
Material gemessen, die durch die Mikroorganismen zersetzt wurden (HAIDER et al., 1964,
1978; KIRK, 1971). Die je nach Substratvariante unterschiedlichen Bodenmikroorganismen
zersetzen über die gesamte Versuchsdauer selbstverständlich neben dem messbaren
radioaktiven Material auch das in der Weizenprotein gebundenen MDF-Probe enthaltene
nicht radioaktive Material. Dabei werden durch die Mirkoorganismen vermutlich alle
Holzbestandteile gleichermaßen abgebaut (HAIDER et al., 1978). Rein rechnerisch müssten,
einen gleichmäßigen Abbau von radioaktivem und inaktivem Material vorausgesetzt, die
Ergebnisse der Kompostierung doppelt so hoch sein, wie nach der 14C-Messmethode
berechnet.
Um einen vollständigen Kompostierungsgrad, bei dem das inaktive Material mit
berücksichtigt wird, feststellen zu können, wurden die Trockengewichte der Weizenprotein
gebundenen und mit 14C-U markiertem Material hergestellten Mitteldichten Faserplatten vor
Versuchsbeginn ermittelt (vgl. Tabelle 3-30). Auf diese Weise ist eine Überprüfung des
Kompostierungsgrades anhand des Masseverlustes der zu untersuchenden MDF-Proben
möglich. Die Ergebnisse der Trockengewichtsmessungen vor und nach dem Versuch, sowie
Ergebnisse & Diskussion 233
die daraus resultierenden Kompostierungsgrade sind in der folgenden Abbildung 4-85
graphisch dargestellt.
Masseverluste der MDF-Proben beim Kompostierungsversuch über eine Dauer von 300 Tagen
0,63 %
16,51 %19,03 %
21,08 %
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
Nadelholz Laubholz Blumenerde Referenz
Substrat
Troc
keng
ewic
ht d
er
Pro
ben
(g)
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Gew
icht
sver
lust
(%)
Trockengew icht vor dem Versuch (g) Trockengew icht nach dem Versuch (g) Gew ichtsverlsut (%)
Abbildung 4-85: Masseverluste der MDF-Platten während des Kompostierungsversuches
Die Ergebnisse der Masseverluste zeigen einen anderen Trend, als die nach der 14C-
Messmethode berechneten Kompostierungsgrade in Abbildung 4-84. Der höchste
Kompostierungsgrad mit 21,08 %, konnte anhand der Masseverluste bei der in der
Blumenerde gelagerten mit Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatte erzielt
werden. Im Vergleich zu dem nach der 14C-Messmethode berechnetem Kompostierungsgrad
von 9,4 % ergibt sich somit eine totale Differenz von 11,68 %. Das bedeutet, dass das inaktive
Material nicht wie das radioaktive Material ebenfalls zu 9,4 %, sondern zu 2,28 % mehr
kompostiert wurde. Die zusätzlichen 2,28 % beim inaktiven Material stellen, bezogen auf die
beim radioaktiven Material berechneten 9,4 %, einen um fast 25 % höheren
Kompostierungsgrad dar. Daraus ist ersichtlich, dass die Bodenmikroorganismen in der
Blumenerde das inaktive Material in der MDF-Probe stärker zersetzen als das radioaktive
Material.
Beim Laubholzsubstrat, das nach der 14C-Messmethode mit einem Kompostierungsgrad von
12,5 % das höchste Ergebnis erzielt (vgl. Abbildung 4-84), zeigt der anhand des
Masseverlustes berechneten Kompostierungsgrad von 19,03 % einen abweichenden Trend.
Vergleicht man das Kompostierungsresultat des radioaktiven Materials mit dem inaktiven
Material, so ergibt sich eine Differenz zwischen beiden Materialien von 6,53 %. Dies zeigt,
234 Ergebnisse & Diskussion
dass auch im Laubholzsubstrat das radioaktive und inaktive Material über den gleichen
Versuchszeitraum von 300 Tagen anscheinend nicht gleichmäßig von den Mikroorganismen
zersetzt wird. Es ist erkennbar, dass im Vergleich zum radioaktiven Material (12,5 %) nur fast
halb soviel inaktives Material (6,53 %) über den gleichen Zeitraum zersetzt wird. In diesem
Fall zeigt sich, dass das radioaktive Material von den im Laubholzsubstrat enthaltenen
Mirkoorganismen schneller abgebaut wird, als das inaktive Material.
Ein überraschendes Ergebnis zeigte das Nadelholzsubstrat. Nach der 14C-Messmethode wurde
über 300 Tage lang ein Kompostierungsgrad von lediglich 4,9 % an Weizenprotein
gebundenen Mitteldichten Faserplatten berechnet (vgl. Abbildung 4-84). Die im
Nadelholzsubstrat gelagerte MDF-Probe wurde jedoch, ermittelt anhand ihres Masseverlustes,
zu insgesamt 16,51 % durch die Mikroorganismen abgebaut. Vergleicht man diese nach der 14C-Messmethode und dem Masseverlust berechneten Werte so ergibt sich eine totale
Differenz von 11,61 %. Dies ist eine Zunahme von über 200 % beim Kompostierungsgrad des
inaktiven Materials verglichen mit dem radioaktiven Material. Daraus ist ersichtlich, dass die
im Nadelholzsubstrat befindlichen Pilze und Bakterien das in der Weizenprotein gebundenen
Mitteldichten Faserplatte enthaltene inaktive Material über einen Zeitraum von 300 Tagen
deutlich schneller kompostieren als das in de Probe befindliche radioaktive Material.
Abschließend kann man aus diesem Versuch mehrere Schlüsse ziehen. Die Kompostierung
von Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten stellt neben der Zersetzung durch
Holzzerstörende Pilze eine alternative Entsorgungsform dar. Der Grad der Kompostierung
durch Mirkoorganismen ist jedoch nicht so hoch wie der Grad der Holzzerstörung durch die
Pilze. Der höchste Kompostierungsgrad konnte anhand des Masseverlustes bei der
Blumenerde erzielt werden. Es wurde bei dieser Substratvariante sowohl aktives als auch
inaktives Material zu fast gleich Anteilen kompostiert. Da es sich bei einer späteren
Kompostierungsform der Mitteldichten Faserplatten um rein inaktives Material handeln
würde, ist das Nadelholzsubstrat eine weitere Alternative, da bei dieser Substratvariante der
höchste Anteil an inaktivem Material durch die Bodenmikroorganismen abgebaut wurde.
Zusammenfassung 235
5 Zusammenfassung
Die bei der Produktion von Holzwerkstoffen verwendeten konventionellen Kunstharze auf
petrolchemischer Basis sind in letzter Zeit zunehmend kritisiert worden. Grund dafür sind die
Abhängigkeit vom ständig ansteigenden Rohölpreis und die später unter Umständen
auftretenden, vermutlich gesundheitsschädlichen Formaldehydemissionen aus den mit diesen
Kunstharzen gebundenen Holzwerkstoffen. Aufgrund dieser Situation gibt es Bestrebungen
sowohl seitens der Holzwerkstoffhersteller als auch der Bindemittelproduzenten, ein
natürliches Bindemittel zu entwickeln, das sich zur industrieller Herstellung von
Formaldehydfeien bzw. Formaldehydreduzierten Holzwerkstoffen eignet.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine besprühbare Weizenprotein-Suspension
entwickelt, mit der Intention, es als natürliches Bindemittel bei der Herstellung von
Mitteldichten Faserplatten zu verwenden. Dazu wurde der Feststoffgehalt dieser Suspension
von anfänglich 20 % auf 43,5 % erhöht. Aufgrund geeigneter analytischer Untersuchungen
sowie der durchgeführten F&E-Arbeiten mit der entwickelten Weizenprotein-Suspension
konnten neue, bedeutende Erkenntnisse bzgl. der Verwendung dieser Suspension als
natürliches Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten gewonnen werden.
Die Herstellung der Mitteldichten Faserplatten erfolgte dabei ausschließlich im Pilotmaßstab,
so dass zur Absicherung der gewonnenen Erkenntnisse noch Versuche im Industriemaßstab
durchgeführt werden müssen.
Die in dieser Arbeit analysierte Weizenprotein-Suspension ist ein Nebenprodukt der Stärke-
bzw. Glucosesirupherstellung, das ganzjährig in großen Mengen anfällt. Es konnte bei den
durchgeführten analytischen Verfahren festgestellt werden, dass die Zusammensetzung dieses
Produktes hinsichtlich seiner Hauptbestandteile, den mehrwertigen Zuckern, Hemicellulosen,
Proteinen und Fasern, über den gesamten Produktionszeitraum sehr homogen ist. Es handelt
sich hierbei um ein Bindemittel, das sich durch eine konstante Qualität über das ganze Jahr
hin auszeichnet und das unter Zugabe von 0,1 % Propionsäure mindestens 6 Monate haltbar
ist. Der bis zum heutigen Zeitpunkt erreichte Feststoffgehalt von 43,5 % in der
Weizenprotein-Suspension kann sicherlich noch durch weitere geeignete Verfahren optimiert
werden. Ein Feststoffgehalt von 50 % ist dabei sicherlich eine realistische Zielvorgabe. Durch
den im Jahr 2005 vorkalkulierten Preis dieses Bindemittels von 300 € pro Tonne Festharz
ergeben sich keine höheren Kosten für die Holzwerkstoffherstellung, da dieser Preis sogar
noch unter den Kosten für Harnstoff-Formaldehyd-Harze liegt. Die UF-Harze sind im Jahr
236 Zusammenfassung
2005 mit einem durchschnittlichen Kaufpreis von 363 € pro Tonne Festharz taxiert. Dadurch
ergibt sich bei der Verwendung des Weizenbindemittels sogar noch ein finanzieller Vorteil
von 63 € pro verbrauchter Tonne Bindemittel Festharz. Eine Verwendung der Weizenprotein-
Suspension als Bindemittel würde sich für die Holzwerkstoffindustrie, die den weltweit
größten Abnehmer konventioneller Kunstharze darstellt, in bedeutenden Kosteneinsparungen
widerspiegeln.
Bei den rheologischen Untersuchungen des Weizenproteinbindemittels stellte sich heraus,
dass es sich bei der entwickelten Weizenprotein-Suspension um ein natürliches Bindemittel
handelt, das bzgl. der Viskositäten sehr ähnliche Eigenschaften aufweist, die mit den
Viskositäten der zur Zeit am häufigsten zur Herstellung von MDF-Platten verwendeten
konventionellen Bindemitteln, den Harnstoff-Formaldehyd-Harzen, vergleichbar sind. Auch
bei der Zusammenstellung von unterschiedlichen Leimflotten, bestehend aus der
Weizenprotein-Suspension und herkömmlichen, konventionellen Hydrophobierungsmitteln,
ergaben sich keine Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten, die eine Verwendung
des Weizenproteins als Bindemittel untersagen würden. Dabei wurden ausschließlich
Hydrophobierungsmittel auf Paraffinbasis eingesetzt, die zurzeit auch bei der industriellen
Herstellung von MDF- Platten verwendet werden. Die gemessenen Viskositäten der
Mischkondensate, bestehend aus UF-Harzen und Weizenprotein bzw. PF-Harzen und
Weizenprotein in unterschiedlichen Mengenanteilen, erlauben ebenfalls ohne kostenintensive
Umbaumaßnahmen an bestehenden Industrieanlagen den Einsatz der Weizenprotein-
Suspension als Bindemittel zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten.
Dies bestätigte sich auch in den mechanisch-technologischen Eigenschaften der mit diesen
Mischkondensaten hergestellten Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab. Dabei stellte sich
heraus, dass sowohl UF-Harze als auch PF-Harze zu maximal 25 % durch die entwickelte
Weizenprotein-Suspension unter Zugabe von Hydrophobierungsmitteln zur Leimflotte
substituiert werden können, ohne Einbußen in den mechanisch-technologischen Eigenschaften
der MDF-Platten in Kauf nehmen zu müssen. Allerdings konnten bei einem
Mischungsverhältnis von 50:50 der Komponenten UF-Harz zu Weizenprotein bzw. PF-Harz
zu Weizenprotein Wechselwirkungen zwischen dem Mischkondensat und den verwendeten
Hydrophobierungsmitteln festgestellt werden, die sich negativ auf die erzielten
Querzugfestigkeiten und Quellwerte auswirkten. Aufgrund dieser Ergebnisse ist ein höherer
Anteil des Weizenproteins in diesen Mischkondensaten, ohne eine Beeinträchtigungen der
mechanisch-technologischen Eigenschaften zu bewirken, zurzeit nicht realisierbar. Die
Zusammenfassung 237
gemessenen Formaldehydemissionen dieser mit Mischkondensaten gebundenen Mitteldichten
Faserplatten zeigten, dass die in der Weizenprotein-Suspension enthaltenen Proteine als
Formaldehydfängersubstanzen fungieren können. Augrund der ermittelten mechanisch-
technologischen Eigenschaften dieser mit Mischkondensaten gebundenen MDF-Platten unter
Verwendung eines Presszeitfaktors von 18 Sekunden pro mm Plattendicke kann der Einsatz
solcher Mischkondensate bereits in naher Zukunft eine entscheidende rolle spielen, wenn es
um die Reduzierung der Formaldehydemissionen und das Erreichen einer F****-Qualität bei
Mitteldichten Faserplatten geht.
Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der nur mit Weizenprotein und Paraffinen
gebundenen Mitteldichten Faserplatten zeigten, dass es möglich ist, rein Weizenprotein
gebundene MDF-Platten unter Verwendung von unterschiedlichen Hydrophobierungsmitteln
bis zu einer praktischen Stärke von 6 mm im Pilotmaßstab herzustellen, mit denen die
mechanisch-technologischen Anforderungen nach DIN erfüllt werden können. Die rein
Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab mit praktischen
Dicken von 8 mm bis 18 mm konnten die Anforderungen nach DIN hinsichtlich der
Querzugfestigkeiten senkrecht zur Plattenebene größtenteils erfüllen. Allerdings zeigte sich
bei diesen Holzwerkstoffen, dass bedingt durch die Plattendicke und dem damit verbundenen,
höheren Anteil an Weizenprotein, die Quellwerte dieser Mitteldichten Faserplatten nach 24 h
Wasserlagerung über den nach DIN geforderten Höchstwerten lagen. Auch bei der Zugabe
von konventionellen Hydrophobierungsmitteln zur Weizenprotein-Suspension zeigte sich,
dass es hierbei zu Wechselwirkungen zwischen dem Bindemittel und den Paraffinen beim
Heißpressen kommt, wodurch sich die Querzugfestigkeiten verschlechtern und auch die
Wasseraufnahme der mit diesen Leimflotten hergestellten Faserplatten nicht wesentlich
reduziert werden konnte. Allerdings sind die ermittelten Ergebnisse der mechanisch-
technologischen Eigenschaften der mit Weizenprotein und Additiven auf SiO2-Basis
angefertigten Mitteldichten Faserplatten sehr viel versprechend. Die Zugabe von Additiven
auf SiO2-Basis mit hydrophobierenden Eigenschaften zum naturnahen Bindemittel auf
Proteinbasis ergab sich erst zu einem späteren Zeitpunkt in diesem Forschungsvorhaben, so
dass lediglich eine Additivart in einer Dosierung getestet werden konnte. Dabei stellte sich
heraus, dass es sich bei diesem Additiv um einen Zusatz handelte, durch den positive
Quellwerte erzielt werden konnten und keine negativen Wechselwirkungen mit den
verwendeten Weizenproteinen auftraten, die sich in den mechanisch-technologischen
Eigenschaften dieser Protein gebundenen MDF-Platten widerspiegelten. Da es aber aktuell
eine Vielzahl dieser SiO2-basierten Additive gibt, die sich hinsichtlich ihrer technischen
238 Zusammenfassung
Merkmale oder ihrer chemischen Charakteristika, wie z.B. dem pH-Wert usw. unterscheiden,
besteht auf diesem Gebiet sicherlich noch Entwicklungsbedarf. Auch die positiven
Klebeigenschaften dieser Additive, sowie ihre laut Herstellerangaben fungizide Wirkung
sollten neben ihren hydrophoben Eigenschaften noch in weiteren Versuchen bei der
Herstellung von Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab untersucht werden.
Die Entsorgungsmöglichkeiten der Weizenprotein gebundenen Mitteldichten Faserplatten
durch Kompostierung oder Holzzerstörende Pilze stellen interessante und alternative
Möglichkeiten zu den zurzeit recht kostenintensiven Entsorgungsmöglichkeiten UF- und PF-
Harz gebundener Holzwerkstoffe dar. Aufgrund der mit 14C-U markiertem Material
durchgeführten Abbau- und Kompostierungsversuche an Weizenprotein und UF- Harz
gebundenen Mitteldichten Faserplatten konnten neue Erkenntnisse bzgl. des Abbauverhaltens
von Holzzerstörenden Pilzen bei der Zersetzung von Holzwerkstoffen gewonnen werden.
Aufgrund der durchgeführten radiometrischen Versuche war es möglich, den Abbau durch
Holzzerstörende Pilze hinsichtlich des in den Fasern enthaltenen Lignins und der enthaltenen
Cellulose genauer zu charakterisieren. Verglichen mit dem Abbau von vollständig 14C-
markiertem Fasermaterial konnte an Protein gebundenen MDF-Platten festgestellt werden,
dass die Holzzerstörenden Pilze die gleichen charakteristischen Zersetzungsmerkmale
aufweisen wie bei den bereits bekannten Abbaustrategien im Vollholz.
Abschließend lässt sich aufgrund der in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse
aussagen, dass es sich bei der Weizenprotein-Suspension um ein natürliches Bindemittel aus
nachwachsenden Rohstoffen handelt, das nach weiteren Optimierungsverfahren und
orientierenden Versuchen sicherlich ein alternatives Bindemittel zu den zurzeit genutzten
petrolchemischen Bindemitteln aus nicht erneuerbaren Ressourcen darstellt. Die
durchgeführten Substitutionsversuche mit unterschiedlichen Mischharzen zeigten bereits, dass
die Verwendung der Weizenprotein-Suspension in dieser Form bereits realisierbar ist. Bereits
durch den Einsatz dieses Nebenproduktes als Substitutionsbindemittel für konventionelle
Kunstharze zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten könnten jährlich enorme Mengen
dieses Materials industriell und wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden, und auf diese Weise
ein Beitrag zum effektiven Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen geleistet werden.
Ausblick 239
6 Ausblick
Da der im Kunstharz enthaltene Formaldehyd als Crosslinker für die Weizenproteine dient,
sollte in weiteren Untersuchungen der Formaldehydanteil in den Mischkondensaten erhöht
werden um auf diese Weise eine Erhöhung des Weizenproteinanteils im Mischkondensat zu
erreichen und/oder die Festigkeiten der MDF-Platten zu optimieren. Des Weiteren könnten
auch Formaldehyd, UF-und PF-Harze in unterschiedlichen Mengen in die entwickelte
Weizenprotein-Suspension mit einkondensiert werden, um bei den ausschließlich mit
Weizenprotein und den mit Mischkondensaten gebundnen MDF-Platten die mechanisch-
technologischen Eigenschaften weiter zu optimieren.
Auch ohne Zugabe von konventionellen Bindemitteln konnte die in diesem
Forschungsvorhaben entwickelte Weizenprotein-Suspension als Bindemittel zur Herstellung
von Mitteldichten Faserplatten im Pilotmaßstab verwendet werden. Dennoch sollte in
weiteren, orientierenden Forschungsarbeiten der Einsatz unterschiedlicher SiO2-basierter
Additive als Hydrophobierungsmittel bei der Herstellung von Weizenprotein gebundenen
MDF-Platten untersucht werden, um die Quelleigenschaften der Weizenprotein gebundenen
MDF-Platten weiter zu verbessern. Anhand der ermittelten mechanisch-technologischen
Eigenschaften der mit diesen Leimflotten unter Verwendung von Additiven auf SiO2-Basis
gebundenen Mitteldichten Faserplatten sollte sowohl eine geeignete Additivart als auch eine
optimale Zugabemenge dieses Hydrophobierungsmittels erforscht werden.
Der Feststoffgehalt der im Rahmen dieser Dissertation entwickelten Weizenprotein-
Suspension sollte in Zukunft noch weiter optimiert werden, so dass durch den höheren
Proteinanteil noch bessere mechanisch-technologische Eigenschaften bei den
Holzwerkstoffen erzielt werden können. Durch geeignete Verfahren ist ein Feststoffgehalt
von 50 % bis 60 % in der Weizenprotein-Suspension anzustreben.
Abschließend müsste eine Übertragung der in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten
Versuche vom Pilot- in den Industriemaßstab erfolgen, um mögliche Probleme bei der
Verwendung dieser Weizenprotein-Suspension alleine wie auch in Kombination mit
unterschiedlichen Kunstharzen bei der industriellen Herstellung von Mitteldichten
Faserplatten zu untersuchen. Probleme könnten aufgrund des vergrößerten Plattenformates,
einer stärkeren Dampfentwicklung wie auch durch geänderte Presszeiten und –drücke bei der
industriellen Herstellung auftreten.
240 Literaturverzeichnis
7 Literaturverzeichnis
ADAM, W. (1988): Melaminharze, Kunststoffhandbuch. Becker/Braun, Bd. 10 Duroplaste, S.
41-50, München Wien
ADASKAVEG, J. E., R. L. GILBERTSON (1986): In vitro decay studies of selective
delignification and simultaneous decay by the white-rot fungi Ganoderma lucidum and
Ganoderma tsugae, Can. J. Bot. 64, S. 1611-1619
ADLER, E. (1977): Lignin chemistry. Past, present and future, Wood Science Technology 11
AMMER, U., W. LIESE (1965): Das Abbauvermögen holzzerstörender Pilze. In: Holz und
Organismen. Nr. 1. Hrsg. G. BECKER und W. LIESE. Beihefte zu Material und
Organismen. Duncker & Humbolt, Berlin
ARNOLD, W. (1964): Verhalten gebräuchlicher Streckmittel in Harnstoffharz-Leimen und
derer Prüfung ohne Verleimung. In: Holz als Roh- und Werkstoff (22), S. 8-13
AUGUSTIN, H., J. PULS (1982): Perspectives on the production of chemicals from wood.
Chemical processing of wood, Supplement 13 to Volume XXXIV of the Timber
Bulletin for Europe, 8-24, FAO, Geneva, April 1982
AYLA, (1980): Herstellung von feuchtigkeitsbeständigen Leimen aus nachwachsenden
Rohstoffen für die Holzindustrie – dargestellt am Beispiel des Rindenextraktes von
Pinus brutia Tenore und das Äthanollignins. Dissertation, Hamburg
BAKELITE AG (2003): Technische Information BAKELITE® PF 1808 HW, BAKELITE AG,
Duisburg
BASF (2000): Technisches Merkblatt Kauritec 350®. BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen
BASF (2002): Technisches Merkblatt Kauritec 407® flüssig. BASF Aktiengesellschaft,
Ludwigshafen
BERGMANN, K. (1998): Enzymatische Aktivierung der holzeigenen Bindekräfte zur
Herstellung einer bindemittelfreien Mitteldichten Faserplatte. Als Dissertation an der
forstwissenschaftlichen Fakultät der Georg-August-Universität Göttingen, Tectum
Verlag, 166 S.
Literaturverzeichnis 241
BERGTHALLER, W. (1997): New uses of wheat gluten and non-starch wheat components.
Proceedings of the International Wheat Quality Conference 1997. In: STEELE, J. L. und
CHUNG, K. O. (Hrsg.): Grain Industry Alliance. Manhattan / KS 1997
BETRAND, W. (1894): Chimie Industrielle – Sur le latex de l’arbre á laque. Bulletin de la
Société Chimique de Paris 3e ser 11
BIETZ, J. A., G. L. LOOKHART (1996): Gluten: properties and non food potential. Cereal Foods
World 41. S. 376
BLANCHETTE, R. A. (1984): Selective delignification of eastern hemlock by Ganoderma
tsugae, Phytopath. 74, S. 153-160
BORCHERDING, A., T. LUCK (1995): Pflanzliche Proteine für technische Anwendungen. In:
VON WEIZECKER, E. U. (Hrsg.): Mensch, Umwelt, Wirtschaft. Spektrum Akademischer
Verlag, Heidelberg
BUNDESMINISTERIUM FÜR VERBRAUCHERSCHUTZ, ERNÄHRUNG UND LANDWIRTSCHAFT
(2005): Die zweite Bundeswaldinventur, BWI2. Verlag des BMVEL.
BUTIN, H., T. KOWALSKI (1983): Dei natürliche Astreinigung und ihre biologischen
Voraussetzungen in Die Pilzflora der Buche (Fagus sylvatica L.), European. J. For.
Path. 13, S. 322-334
CARLOWITZ VON, H. C. (1713): Sylvicultura Oeconomica, oder Hauswirtschaftliche
Anweisung zur wilden Baumzucht. In: Forstliche Klassiker, Skript der Fachschaft Forst
der Georg-August-Universität Göttingen
CERESTAR AG (2004): Mündliche Mitteilungen. Göttingen 2004
CERESTAR AG (2005): Mündliche Mitteilung. Göttingen 2005
CORBETT, N. H. (1965): Micro-morphological studies on the degradation of lignified cell
walls by Ascomycetes and Fungi Imperfecti, J. Inst. Wood Science 14, S. 18-29
DALTON, L. K. (1953): Resins from sulphited tannins as adhesives for wood. Australian
Journal of Applied Science 4
DEPPE, H. J., K. ERNST (1964): Technologie der Spanplatten. Holz-Zbl.-Verlags-GmbH,
Stuttgart
DEPPE, H. J., K. ERNST (1996): MDF – Mitteldichte Faserplatten, DRW-Verlag, Leinfelden-
Echterdingen, 200 S.
242 Literaturverzeichnis
DEPPE, H. J., K. ERNST (2000): Taschenbuch der Spanplattentechnik. DRW-Verlag.
Leinenfeld-Echterdingen
DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e.V. (Band 30, 1998 a): Klebstoffe, Richtlinien für die
Einteilung (DIN 16920), Beuth-Verlag GmbH, Berlin
DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG e.V. (Band 60, 1998 b): Holzfaserplatten, Spanplatten,
Sperrholz: Normen, Richtlinien, Beuth-Verlag GmbH, Berlin
DIX, B., R. MARUTZKY (1985): Tannin extracts from spruce and pine barks. J. Appl. Polym.
Sc. Appl. Polym. Symp. 40, S. 91-100
DIX, B., R. MARUTZKY (1988): Verwendung von Stärke und Protein als Streckmittel für
Diisocyanat bei der Herstellung von Spanplatten. In: Holz als Roh- und Werkstoff (46),
S. 191
DUNCAN, C. G. (1960): Wood attacking capacities and physiology of soft-rot fungi. USDA
Forest Serv.. Rep. 2173
DUNKY, M. (2005): F****-Verleimungen für den Japanischen Markt – Neue Span- und
Faserplattenleime. In: MARUTZKY, R. (Hrsg.): Klebstoffe für Holzprodukte. WKI-
Bericht Nr. 39, Tagungsband zum Workshop am 10./11. November 2005
ENGELS, J. (1998): Studien zur Besiedlung und Holzzersetzung an ausgewählten Laub- und
Nadelbäumen durch wurzelbürtige Pilze, FZKA 6068, Forschungszentrum Karlsruhe,
Diss. Universität Freiburg
EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION (2004): Opening 4th European wood based panel
symposium, 15.-17. September 2004 in Hanover, EUROPEAN PANELBOARD FEDERATION
ERIKSON, K. E. L., R. A. BLANCHETTE, P. ANDER (1990): Microbial and enzymatic
degradation of wood and wood components, Springer, Berlin
FENGEL, D. (1966): Über die Veränderung des Holzes und seiner Komponenten im
Temperaturbereich bis 200 °C. Zweite Mitteilung: Die Hemicellulosen in
unbehandeltem und thermisch behandeltem Fichtenholz. Holz als Roh- und Werkstoff
24 (3): S. 98-109
FENGEL, D., G. WEGENER (2003): Wood Chemistry, Ultra structure, Reactions. Kessel Verlag
Remagen
FRANKE, W. (1997): Nutzpflanzenkunde. Georg Thieme Verlag, Stuttgart
Literaturverzeichnis 243
FREUDENBERG, K., M. REICHERT (1954): Die Anwendung radioaktiver Isotope bei der
Erforschung des Lignins. V. Chem. Ber. 87, S. 1834-1840
FREUDENBERG, K., A. NEISH (1968): Constitution and Biosynthesis of Lignin. Springer-
Verlag Berlin, Heidelberg, New York, S. 129
GÄUMANN, E. (1928): Die chemische Zusammensetzung der Fichten- und Tannenholzes in
den verschiedenen Jahreszeiten. Flora N.F., 123, S. 344-385
GRAMMEL, R. (1989): Forstbenutzung: Technologie und Verwertung des Holzes. Parey-
Verlag, Hamburg, Berlin, S. 12-17
GREEN, F. III, HIGHLEY, T. L. (1997): Mechanism of brown-rot decay: paradigm or paradox,
International Biodeterioration & Biodegradation 39, S. 113-124
HABENICHT, G. (1986): Kleben. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo
HABENICHT, G. (1997): Kleben, Grundlagen, Technologie, Anwendungen. 3. Auflage
Springer Verlag, Heidelberg, New York, Tokyo
HAIDER, K. S. U. LIM, W. FLAIG (1964): Experimente und Theorien über den Ligninabbau bei
der Weißfäule des Holzes und bei der Verrottung pflanzlicher Substanz im Boden.
Holzforsch. 18, S- 81-88
HAIDER, K., J. TROJANOWSKI (1975): Decomposition of Specifically 14C-Labelled Phenols and
Dehydrogenpolymers of Coniferyl Alcohol as Models for Lignin Degradation by Soft
and White Rot Fungi. Arch. Microbiol. 105, S. 33-41. Springer Verlag
HAIDER, K., J. TROJANOWSKI, V. SUNDMAN (1978): Screening for lignin degrading bacteria by
means of 14C-labelled lignins. Arch. Mikrobiol. 119, S. 103-106
HAIDER, K., J. TROJANOWSKI (1989): Mikrobieller Abbau von 14C- und 35S-markierter
Ligninsulfonsäure durch Pilze, Bakterien oder Mischkulturen. Holzforschung 35, S. 33-
38
HALE, M. D. C. , R. A. EATON (1985 a): Oscillatory growth of fungal hyphae in wood cell
walls, Trans. Br. Mycol. Soc. 84, S. 277-288
HALE, M. D. C. , R. A. EATON (1985 b):The ultra structure of soft-rot fungi, Cavity forming
hyphae in wood cell walls, Mycologia 77, S. 594-605
HALSE, O. M. (1926): Bestimmung von Zellstoff und Holzstoff im Papier. Papier-Journalen
14, Nr. 10, S. 121-123
244 Literaturverzeichnis
HARTIG, R. (1878): Die Zersetzungserscheinungen des Holzes der Nadelbäume und der Eiche
in forstlicher, botanischer und chemischer Richtung, Springer, Berlin
HINTERWALDNER, R. (1986): Polymerisierbare Stärken. Coating 19, S. 364-368
HÜTTERMANN, A., M. GEBAUER, C. VOLGER, C. RÖSGER (1977): Polymerisation und Abbau
von Natrium-Ligninsulfonat. In: Holzforschung 31 (3), S. 83-89
HÜTTERMANN, A., A. KHARAZIPOUR, A. HAARS, K. NONNINGER (1990): Ersetzt ein
biologisches Bindemittel herkömmliche Kunstleime? Holz und Kunststoff, 11, S. 1215-
1219
HÜTTERMANN, A., A. KHARAZIPOUR (1993): Biochemie der Synthese und des Abbaus der
pflanzlichen Zellwand. In HÜTTERMANN A., A. KHARAZIPOUR (Hrsg.) Die pflanzliche
Zellwand als Vorbild für Holzwerkstoffe. Schriften aus der forstlichen Fakultät der
Universität Göttingen und der Nds. Forstlichen Versuchsanstalt. Band 113, J. D.
Sauerländer´s Verlag, Frankfurt am Main, S. 5-22
INTERNATIONAL AGENCY FOR RESEARCH ON CANCER (2004): IARC classifies Formaldehyde
as carcinogenic to humans. International Agency for Research on Cancer. Press release
nr. 153, 15.06.2004
JAYME, G., BÜTTEL, H. (1968): Vergleich verschiedener Verfahren zur Pentosanbestimmung
einschließlich einer neuen ISO-Methode. Das Papier, 22. Jahrgang, Nr. 5, S. 249-253
JOHNS, W., LENZ, M., HUFFACKER, E., a. SAUNDERS, J. (1984): Proc. Particleboard
Symposium Wash.-State Univ. Pullman 18
JUNG, A., E. ROFFAEL (1989): Verwendung von Tanninen als Bindemittel in Holzwerkstoffen.
Adhäsion, 33 (7/8), S. 28-34
KAMOUN, C., A. PIZZI, R. GARCIA (1998): The effect of humidity on crosslinked and
entanglement networking of formaldehyde-based wood adhesives. In: Holz als Roh- und
Werkstoff (56), S. 235-243, Springer-Verlag, Berlin
KEILISCH, G., P. BAILEY, W. LIESE (1970): Enzymatic degradation of cellulose, cellulose
derivates and hemicelluloses in relation to the fungal decay of wood, Wood Sci.
Technol. 4, S. 273-283
KHARAZIPOUR, A. (1983): Optimierung eines Verfahrens zur Herstellung von Bindemitteln für
Holzwerkstoffe auf der Basis von Ligninsulfonat und Laccase. Diss. Schr. Universität
Göttingen
Literaturverzeichnis 245
KHARAZIPOUR, A., A. HÜTTERMANN (1993): Enzymatische Behandlung von Holzfasern als
Weg zu vollständig bindemittelfreien Holzwerkstoffen. In: HÜTTERMANN, A., A.
KHARAZIPOUR (Hrsg.): Schriften an der Forstlichen Fakultät der Universität Göttingen
und der Niedersächsischen Forstlichen Versuchsanstalt, Band 113, J. D. Sauerländer´s
Verlag, Frankfurt am Main, S. 83-98
KHARAZIPOUR, A. (1996): Enzyme von Weißfäulepilzen als Grundlage für die Herstellung
von Bindemitteln für Holzwerkstoffe. Band 121, J. D. Sauerländer´s Verlag, Frankfurt
am Main
KHARAZIPOUR, A., A. HAARS (1998): Bindemittel für Holzwerkstoffe auf der Basis von
pilzlichen Exopolysachariden und Lignin. In: KHARAZIPOUR, A., A. POLLE (Hrsg.):
Schriften an der Forstlichen Fakultät der Universität Göttingen und der
Niedersächsischen Forstlichen Versuchsanstalt, Band 124, J. D. Sauerländer´s Verlag,
Frankfurt am Main, S. 32-41
KHARAZIPOUR, A. (2004): Wirtschaftsfaktor Biomasse Holz als Werkstoff. In: C.A.R.M.E.N
(Hrsg.): Jahrbuch 2004/2005 Nachwachsende Rohstoffe.
KINDL, H. (1991): Biochemie der Pflanzen. Springer Lehrbuch. Springer-Verlag Berlin
Heidelberg New York
KIRCHNER, R., A. KHARAZIPOUR (1999): Herstellung von Laborspanplatten. Vorlesungsskript,
Georg-August-Universität Göttingen, S. 1-2
KIRK, T. K., A. KELMAN (1965): Lignin degradation as related to the phenoloxidases of
selected wood-decaying basidiomycetes. Phytopath. 55, S. 739-745
KOENIGS, J. W. (1974 a): Hydrogen peroxide and iron: a proposed system for decomposition
of wood by brown rot Basidiomycetes. Wood Fibre 6, S. 66-79
KOENIGS, J. W. (1974 b): Production of hydrogen peroxide by wood-rotting fungi in wood and
its correlation with weight loss, Depolymerisation and pH changes, Arch. Microbiol. 99,
S. 129-145
KRAMER, H. (1985): Begriffe der Forsteinrichtung. Schriften aus der forstlichen Fakultät der
Universität Göttingen und der Nds. forstlichen Versuchsanstalt. Band 48, 88 S., J. D.
Sauerländer´s Verlag, Frankfurt am Main
KRUG, D., H. J. SIRCH (1999): Protein als Kleber – Anteilige PF-Harz Substitution möglich.
In: Holz-Zentralblatt (125), S. 773, DRW-Verlag, Leinfelden-Echterdingen
246 Literaturverzeichnis
KRUG, D. (2001 a): Proteine zur anteiligen Substitution von Phenol-Formaldehyd-Harzen als
Bindemittel für die Herstellung von Holzwerkstoffen. In: 4. Holzwerkstoff-Kolloquium
„Feuchtebeständigkeit von Holzwerkstoffen“, Dresden, Dezember 2001
KRUG, D., H. J. SIRCH, J. LANG, W. HEEP, R. HÖPCKE (2001 b): DE 102 53 455 A1
KRUG, D. (2003): Proteins for the Gluing of Wood-based materials. STICK! 3rd European
Congress on Adhesive and Sealant Raw Materials, 09.-10.04.2003, Nürnberg,
Tagungsband
KRUG, D., A. WEBER (2005): Untersuchungen zum Einsatz von Proteinen als alternative
Bindemittel zur Herstellung ein- oder mehrlagiger Massivholzplatten. Unveröff.
Abschlussbericht, IHD Dresden
KRUG, D., W. HEEP (2006): Proteine als Klebstoffgrundlage. VHI-Workshop „Leimbörse
Kassel“, 16. und 17. Januar 2006, Kassel
KRUSENBAUM, J. (1991): Versuche zur Optimierung eines Substrates auf Basis von
Kartoffelpülpe und Kartoffelfruchtwasser für die Anzucht von Pilzen. Als Diplomarbeit
der forstwirtschaftlichen Fakultät der Georg-August-Universität Göttingen. 101 S.
KUO, M., D. ADAMS, D. MYERS, D. CURRY, H. HEEMSTRA, J. L. SMITH, Y. BIAN (1998):
Properties of wood/agricultural fibreboard bonded with soybean-based adhesives. In:
Forest Products Journal Vol. 48, No. 2, S. 71-75
LAMPERT, H. (1966): Faserplatten. VEB Fachbuchverlag Leipzig. 453 S.
LIESE, W. (1963): Phenomena of fracture in wood, Holzforschung 17, S. 65-71
LIESE, W. (1970): Ultra structural aspects of woody tissue disintegration, Annu. Rev.
Phytopath. 8, S. 231-257
LIESE, W. (1981): Der Wald als Rohstoffquelle. Schriften aus der Forstlichen Fakultät der
Universität Göttingen und der Niedersächsischen Versuchsanstalt. Band 69.
Sauerländer´s Verlag. Frankfurt/M
LIIRI, O., SAIRANEN, H., KILPELÄINEN, H. (1982): Bark extractives from spruce as constituents
of plywood bonding agents. Holz als Roh- und Werkstoff 40, S. 51-60
LOHMANN, U. (1998): Holzhandbuch, DRW-Verlag, 349 S.
MARUTZKY, R. (2005): Formaldehyde: Actual Situation and Possible Impact on the Wood-
based Panel Industries. In: SASOLWAX (Hrsg.): Holzwerkstoff-Symposium. Dresden-
Radebeul. 23. September 2005.
Literaturverzeichnis 247
MAYER, F. (1993): Bestandteile der primären Zellwand als Matrixelement und Bindemittel für
Holzwerkstoffe am Beispiel der Kartoffelpülpe. Schriften der Forstlichen Fakultät der
Universität Göttingen und der Niedersächsischen Forstlichen Versuchsanstalt. Band
113, J.D. Sauerländer´s Verlag Frankfurt am Main, S. 46-54
MCLAUGHLIN, FARRISAY, A., ALBERINO, L., a. WASZESIAK, D. (1981): Proc. Particleboard
Symposium Wash.-State Univ. Pullman 15
MEIER, H. (1955): Über den Zellwandabbau durch Holzvermorschungspilze und die
submikroskopische Struktur von Fichtentracheiden und Birkenholzfasern. Holz als Roh-
und Werkstoff 13, S. 323-338
MOHR, H., P. SCHOPFER (1992): Pflanzenphysiologie. 4. Auflage, Springer-Lehrbuch,
Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong Kong,
Barcelona, Budapest
MÜLLER, C. (2001): Versuche zur Optimierung eines biotechnologischen Verfahrens für die
Gewinnung von parenchymatischen Zellwandbestandteilen. Masterarbeit an der
Universität Göttingen
MÜLLER C. (2005): Mechanisch-enzymatischer Aufschluss von Kartoffelpülpe als
Bindemittel zur Herstellung von Holzwerkstoffen. Als Dissertation an der
forstwissenschaftlichen Fakultät der Georg-August-Universität Göttingen,
Onlineveröffentlichung, 166 S.
MYERS, G. (1987): For. Prod. J. 10 No. 10, p. 63-67
NETZSCH (1998): Technische Zeichnungen und Angaben zu Rotor-Stator-Pumpen.
NIELSSON, T. (1973): Studies on wood degradation and cellulotic activity of micro-fungi.
Stud. For. Suecica, 104
NOACK, D. (1963): Eigenschaften des Kern- und Splintholzes der mitteleuropäischen Eiche.
Holz als Roh- und Werkstoff, 21, S. 108-121
NOWAK, A., H. DRACH (1949): Ligninaktivierter Faserstoff. Internationaler Holzmarkt, Wien
Nr. 24, S. 12-18
NUHN, P. (1997): Naturstoffchemie – Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. S.
Hirzel Verlag, Stuttgart
OKAMURA, K. (1991): Structure of cellulose. In: Wood and cellulosic chemistry. Ed: HON, D.
N. S., N. SHIRAISHI, Marcel Decker Verlag. New York, Basel, S. 89-112
248 Literaturverzeichnis
PARAMESWARAN, N., E. ROFFAEL (1985): Zum biologischen Abbau von
Harnstofformaldehydharz gebundenen Spanplatten unterschiedlichen
Formaldehydgehaltes. WKI Bericht 397
PEISACH, J., J. AISEN, W. E. BLUMBERG (1966): The Biochemistry of copper. New York and
London
PFLEIDERER HOLZWERKSTOFFE GMBH & CO. KG (2005): Mündliche Mitteilung. Göttingen
2005
PIZZI, A. (1982): Pine tannin adhesives for particleboard. Holz als Roh- und Werkstoff 40, S
293-301
PLOMLEY, K. F., W. E. HILLS, K. HIRST (1976): The influence of wood extractives on the glue-
wood bond. The effect of kind and amount of commercial tannins and crude wood.
Holzforschung 30 (1), S. 14-19
PRÄVE, P., U. FAUST, W. SITTIG, D. A. SUKATSCH (1994): Handbuch der Biotechnologie. R.
Oldenbourg Verlag München Wien
PRATT, J. E. (1979): Fomes anosus butt-rot of Sitka Spruce II. Loss of strength of wood in
various categories of rot, Forestry 52, S. 31-45
RAVEN, P. H., R. F. EVERT, S. E. EICHHORN (2000): Biologie der Pflanzen. Walter de Gruyter
Verlag, Berlin, New York, S. 608 ff.
RAYNER, A. D. M., BODDY, L. (1988): Fungal decomposition of wood: its biology and
ecology, Wiley, Chichester
ROFFAEL, E. (1982): Die Formaldehydabgabe von Spanplatten und anderer Werkstoffe.
DRW-Verlag, Stuttgart
ROFFAEL, E., B. DIX (1992): Neuere Entwicklungen bei Holzbindemitteln. In: Adhäsion 36
(5), S. 25-26
ROFFAEL, E., B. DIX, H. MIERTZSCH, M. SCHEITHAUER, KEHR, E. HOFRICHTER (1993):
Feuchtebeständigkeit und Hydrolyseeinsatz von Holz-zu-Holz-Bindungen in
Spanplatten, hergestellt mit formaldehydarmen modifizierten Harnstoff-Formaldehyd-
Harzen unter Einsatz verschiedener Härtungsbeschleunigersysteme, WKI Mitteilung
570/1993
ROFFAEL, E., B. DIX (1994): Tannine als Bindemittel für Holzwerkstoffe / von E. Roffael und
B. Dix – Braunschweig: Willhelm-Klauditz-Institut, 1994. WKI-Mitteilung, 601
Literaturverzeichnis 249
ROFFAEL, E., B. DIX, T. SCHNEIDER (2001): Zur Verwendung von Tanninen als Bindemittel in
der Holzwerkstoffindustrie. Hrsg. Institut für Holzbiologie und Holztechnologie Georg-
August-Universität Göttingen
ROFFAEL, E., M. SCHÄFER (2002): Bedeutung der Extraktstoffe des Holzes in biologischer,
chemischer und technologischer Hinsicht, Vorlesungsskript des Institutes für
Holzbiologie und Holztechnologie, Georg-August-Universität Göttingen
ROFFAEL, E., T. SCHNEIDER, B. KÖNIG, C. BEHN (2004): Holzchemie & Holztechnologie,
Vorlesungsskript des Institutes Holzbiologie und Holztechnologie, Georg-August-
Universität Göttingen
RÜHL, H. (2002): Proteine im Holzbau. In: BMBF Statusseminare „Integrierter Umweltschutz
im Bereich der Holzwirtschaft“, Göttingen im Januar 2002
SASOL WAX GmbH (2003): EG-Sicherheitsdatenblatt Wachsdispersionen, Sasol Wax GmbH,
Worthdamm 13-27, 20457 Hamburg
SASOL WAX GmbH (2004 a): Produktinformations-Blatt HydroWax 138, Sasol Wax GmbH,
Worthdamm 13-27, 20457 Hamburg
SASOL WAX GmbH (2004 b): Produktinformations-Blatt HydroWax 730, Sasol Wax GmbH,
Worthdamm 13-27, 20457 Hamburg
SAVORY, J. G. (1954): Breakdown of timber by Ascomycetes and Fungi Imperfecti. Ann.
Appl. Biol. 41, S. 336-347
SAVORY, J. G., L. C. PINION (1958): Chemical aspects of decay of beech wood by
Chaetomium globosum. Holzforsch. 12, S. 99-103
SCHACHT, H. (1863): Über die Veränderungen durch Pilze in abgestorbenen Pflanzenzellen,
Jahrbücher für Wissenschaftliche Botanik 3, S. 442-483
SCHÖPPER, C. (2002): Entwicklung und Optimierung der Pilot-MDF-Anlage und Herstellung
von Mitteldichten Faserplatten unter Verwendung konventioneller Kunstharze und
naturnaher Bindemittel aus nachwachsenden Rohstoffen, Masterarbeit an der Georg-
August-Universität Göttingen
SCHÖPPER, C. (2003): Unveröffentlichte Untersuchungsergebnisse.
SCHÜTT, P., H. J. SCHUCK, B. STIMM (1992): Lexikon der Forstbotanik, Ecomed
Verlagsgesellschaft mbh, Landsberg/Lech
250 Literaturverzeichnis
SCHWARZE, F. W. M. R. (1995): Entwicklung und biomechanische Auswirkungen von
holzzersetzenden Pilzen in lebenden Bäumen und in vitro, Dissertation Universität
Freiburg, SVK-Verlag, Erndtebrück
SCHWARZE, F. W. M. R., J. ENGELS (1998): Cavity formation and the exposure of peculiar
structures in the secondary wall (S2) of tracheids and fibers by wood degrading
Basidiomycetes, Holzforschung 52, S. 117-123
SCHWARZE, F. W. M. R., J. ENGELS, C. MATTHECK (1999): Holzzersetzende Pilze in Bäumen /
Strategien der Holzzersetzung, Rombach-Verlag
SCHWARZE, F. W. M. R., S. FINK (1998): Host and cell type affect the mode of degradation by
Meripilus giganteus, New Phytol. 139, S. 721-731
SEIFERT, K. (1965): Über den Abbau der Holzcellulose durch Organismen. In: Holz und
Organismen. Nr. 1. Hrsg. G. BECKER und W. LIESE. Beihefte zur Material und
Organismen. Duncker & Humbolt, Berlin
SEIFERT, K. (1966): Chemical changes in beech wood cell walls by soft-rot (Chaetomium
globosum). Holz als Roh- und Werkstoff 24, S. 185-189
SHEKHOLESLAMI, M. (1986): Untersuchungen zur biologischen Abbaubarkeit von
ungeschützten Holzspanplatten durch Weiß- und Braunfäulepilze, Diplomarbeit an der
Georg-August-Universität Göttingen
SIRCH, H. J., E. KEHR (1997): Untersuchungen zur Eignung von Proteinen als Bindemittel für
Holzpartikel-Werkstoffe. In: KLEIN, J., R. MARUTZKY (Hrsg.) (1997): Klebstoffe für
Holzwerkstoffe und Faserformteile, WKI-Bericht Nr. 32
SITTE, P., H. ZIEGLER, F. EHRENDORFER, A. BRESINSKY (1998): Strasburger Lehrbuch der
Botanik. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, Lübeck, Jena, Ulm
SUNDIN, E. B., E. ROFFAEL (1989): Einfluss der Alterung auf die Formaldehydemissionen von
UF-Spanplatten mit niedrigen Formaldehydabgabepotential. Holz-Zentralblatt 115, 47,
S. 704
THOLE, V., R. MARUTZKY (2006): Holzwerkstoffe und Klebstoffe – eine kurze Einführung in
das Thema. VHI-Workshop „Leimbörse Kassel“, 16. und 17. Januar 2006, Kassel
TROJANOWSKI, J., A. HÜTTERMANN, K. HAIDER, J. G. H. WESSELS (1985): Degradation of
lignin and lignin related compounds by protoplasts isolated from Fomes annosus. Arch.
Microbiol. 140, S. 326-330
Literaturverzeichnis 251
TROJANOWSKI, J. A. HÜTTERMANN (1987): Screening of wood inhabiting fungi for their
capacity to degrade and to solubilize 14C-labelled lignin. Microbios 50, S. 91-97
TROTHA, VON W. T. (2005): Aufkommen und Verwendung von Sägenebenprodukten.
Bachelorarbeit an der forstwirtschaftlichen Fakultät der Georg-August-Universität
Göttingen.
TROY CHEMICAL EUROPE BV (2001): Sicherheitsdatenblatt Mergal S88, Uiverlaan 12e, 3145
XN Maassluis, The Netherlands
ULRICH, H. D. (2002): Curr. Top. Microbiol. Immunol. 268, S. 151
WAGENFÜHR, R. (1999): Anatomie des Holzes. DRW-Verlag Weinbrenner GmbH & Co,
Leinfelden-Echterdingen
WAGNER, B. (1997): Untersuchungen zur Formaldehydabgabe von Holz und mit
Aminoplastharz gebundenen Buchensperrholz. Dissertation an der forstwirtschaftlichen
Fakultät der Georg-August-Universität Göttingen. S. 7-16
WANG, S., A. PIZZI (1997): Improving UF plywood adhesives water resistance by co reaction
with proteins. In: Holz als Roh- und Werkstoff (158), Springer-Verlag, Berlin
WEAKLEY, F. B., C. L. MEHLRETTER (1963): Low cost protein glue for southern pine plywood.
In: Forest Products Journal (1965), S. 8-12
WEGENER, G. (2004): Holz als Baustoff. In: C.A.R.M.E.N (Hrsg.): Jahrbuch 2004/2005
Nachwachsende Rohstoffe. Seite 311-324
WILCOX, W. W. (1978): Review of literature on the effects of early stages of decay on wood
strength, Wood Fibre 9, S. 252-257
WINKELMANN, A. (1997): Herstellung von emissionsarmen Holzwerkstoffen auf der Basis
von nachwachsenden Rohstoffen. Dissertation an der forstwirtschaftlichen Fakultät der
Georg-August-Universität Göttingen, S. 24
YOSHIDA, H. (1883): Zur Chemie des Urushi. Firmess. J. chem. Soc. 43
ZEPPENFELD, G. (1991): Klebstoffe in der Holz- und Möbelindustrie. Fachbuchverlag-
Leipzig, Leipzig
252 Eidesstattliche Erklärung
8 Anhang
8.1 Berechnungen Analytik
8.1.1 Pentosanbestimmung
8.1.1.1 Probeneinwaage
Um den exakten Pentosangehalt der Probe zu ermitteln wird die benötigte Probenmenge in g
atro angegeben. Da das Material jedoch immer Feuchtigkeit enthält, muss die Menge an
Feuchtigkeit zu dem atro Probenwert hinzuaddiert werden. Mit der nachfolgenden Formel
wird die Probenmenge in g lutro errechnet. Die Feuchte der Proben wird wie unter 8.2.2
beschrieben ermittelt.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ×+=
(%)100(%))(Pr)(Pr)(Pr Feuchtepraktischegatroobegatroobeglutrogeobeneinwaa
8.1.1.2 Pentosangehalt
Die Menge des Pentosans der in Kapitel 3.1.1.3 untersuchten Faserproben lässt sich anhand
der folgenden Formel berechnen.
wdnabx
××−×
=)(03,33
Dabei sind:
a = ml Thiosulfatlösung beim Versuch
b = ml Thiosulfatlösung beim Blindversuch
n = Normalität der Thiosulfatlösung
d = 0,878; Destillationsausbeute (empirisch aus vielen Versuchen ermittelter Wert)
w = Probeneinwaage in g atro
x = Pentosangehalt der Probe
Anhang 253
8.1.2 Ligninbestimmung
8.1.2.1 Probeneinwaage
Berechnung der Probeneinwaage für die Ligninbestimmung erfolgt analog zur Ermittlung der
Probeneinwaage für die Pentosanbestimmung wie in Kapitel 8.1.1.1 beschrieben.
8.1.2.2 Ligningehalt
Die Gesamtmenge an Lignin der untersuchten Probe in g atro wird zunächst mit Hilfe einer
Subtraktion errechnet.
)()()( atrogalleineGlastiegelatrogussmitÜberschGlastiegelatrogeLigninmeng −=
Die prozentuale Menge des Lignins (%) bezogen auf die insgesamt eingewogene
Probenmenge in g atro wird anschließend mit einem Dreisatz ermittelt.
)(1(%)100)((%)
atrogxatrogeLigninmengLigninAnteil =
8.1.3 Ermittlung rheologischer Eigenschaften
8.1.3.1 Dynamische Viskosität
Die dynamische Viskosität (η), d.h. das Verhältnis der Schubspannung (τ) zum
Geschwindigkeitsgefälle (D) wird mit Hilfe der folgenden Formel berechnet.
Dτη =
Dabei sind:
η = Dynamische Viskosität angegeben in mPa·s oder Pa·s
τ = Schubspannung
D = Geschwindigkeitsgefälle
254 Eidesstattliche Erklärung
8.1.4 Bestimmung des Stickstoffgehaltes
8.1.4.1 Berechnung nach KJELDAHL
Nach der KJELDAHL-Methode lassen sich die Mengen an Stickstoff in festen und flüssigen
Proben bestimmen. Dabei kann über den Gesamtstickstoffgehalt mit Hilfe eines Faktors auch
der Gesamtproteingehalt der untersuchten Proben bestimmt werden. Beide Formeln, mit
denen die Gesamtstickstoff- sowie Gesamtproteingehalte in dieser Dissertation berechnet
wurden, sind im Folgenden dargestellt.
Berechnung des Gesamtstickstoffgehaltes:
ExbaltkstoffgehaGesamtstic 4008,1)((%) −
=
Dabei sind:
a = Verbrauch der Salzsäure-Maßlösung (0,1 mol/l) im Hauptversuch in ml
b = Verbrauch der Salzsäure-Maßlösung (0,1 mol/l) im Blindversuch in ml
E = Probeneinwaage in g
1,4008 = 1 ml Salzsäure-Maßlösung (0,1 mol/l) entsprechen 1,4008 mg Stickstoff
Berechnung des Gesamtproteingehaltes:
EFxxbaingehaltGesamtprte 4008,1)((%) −
=
Dabei sind:
a = Verbrauch der Salzsäure-Maßlösung (0,1 mol/l) im Hauptversuch in ml
b = Verbrauch der Salzsäure-Maßlösung (0,1 mol/l) im Blindversuch in ml
F = 6,25; Umrechnungsfaktor zur Berechnung des Proteingehaltes
E = Probeneinwaage in g
1,4008 = 1 ml Salzsäure-Maßlösung (0,1 mol/l) entsprechen 1,4008 mg Stickstoff
Anhang 255
8.2 Berechnungen zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten
8.2.1 Volumen und Rohdichte der herzustellenden Mitteldichten Faserplatten
Das Volumen der Mitteldichten Faserplatten errechnet sich aus folgenden Angaben:
Länge (mm)
Breite (mm)
Stärke (mm)
1000)mm(Stärke)mm(Breite)mm(Länge³)cm(Volumen ××
=
Die Rohdichte wird in der Maßeinheit kg/m³ angegeben und errechnet sich daher aus dem
Gewicht (kg) und dem Volumen (m³) der herzustellenden Mitteldichten Faserplatten.
³)m(PlatteMDFderVolumen)kg(PlatteMDFderGewicht³)m/kg(Rohdichte
−−
=
8.2.2 Unbeleimte Faserfeuchte
Zur Ermittlung der unbeleimten Faserfeuchte werden mindestens drei Proben der unbeleimten
Fasern benötigt. Mit Hilfe eines Feuchtemeßgerätes wird die Feuchte der Proben bestimmt.
Aus den Ergebnissen errechnet man anschließend den Mittelwert.
)1n(
n21
obenPrderAnzahl(%)obePr...(%)obePr(%)obePr
(%)teFaserfeuchunbeleimtettlicheDurchschni+
+++=
8.2.3 Fasermenge lutro / atro
Die Berechnung der absolut trockenen Fasermenge aus der lufttrockenen Fasermenge ist
wichtig zur Bestimmung der benötigten Leimmenge. Sie berechnet sich aus folgenden
Angaben:
Fasermenge lutro (kg)
Durchschnittliche unbeleimte Faserfeuchte (%)
256 Eidesstattliche Erklärung
(%)100(%)teFaserfeuchunbeleimtettlichedurchschni)kg(lutroFasermenge)kg(atroFasermenge ×
=
Das in der Fasermenge lutro (kg) enthaltene Wasser (kg) ist daher:
)kg(atroFasermenge)kg(lutroFasermenge)kg(WassersEnthaltene −=
8.2.4 Leimmenge lutro / atro
Um die benötigte Leimmenge lutro (kg) für die eingewogene Fasermenge atro (kg) zu
errechnen, benötigt man zuerst die Leimmenge atro (kg). Da alle Leimarten sowohl aus
Wasser als auch aus Feststoffen bestehen, ist es für die praktische Arbeit unumgänglich aus
der Leimmenge atro (kg) die praktische Leimmenge lutro (kg) zu ermitteln.
(%)100(%)FaseratroaufBeleimung)kg(atroFasermenge)kg(atroLeim ×
=
(%)LeimsdesehaltFeststoffg(%)100)kg(atroLeim)kg(lutroLeim ×
=
Das im Leim enthaltene Wasser (kg) berechnet sich dann wie folgt:
)()()(Im 2 kgatroLeimkglutroLeimkgOHsenthalteneLeim −=
8.2.5 Beleimungszeit / Pumpgeschwindigkeit
Um die Beleimungszeit bzw. die Pumpgeschwindigkeit bei allen durchgeführten Versuchen
mit einer Formel errechnen zu können, ist ein konstanter Faserdurchsatz im Mischer eine
wichtige Voraussetzung. Dazu wird die Mischerumdrehung und die Streuhöhe der
unbeleimten Fasern auf dem Zuführband zum Mischer genau definiert. Mit der verwendeten
Mischereinstellung (Poti 4,5) und der Streuhöhe (200 mm) ergibt sich bzgl. des
Faserdurchsatzes folgende Vorgabe: In 60 Minuten werden 50 kg Fasermaterial lutro durch
den Mischer gefahren.
Anhang 257
lutroFasernkgkglutroFasermengeZeitBenötigte
)(50)((min)60(min) ×
=
(min)ZeitBenötigte(min)1)kg(lutroLeimmin)/kg(LeimindigkeitPumpgeschw ×
=
8.2.6 Theoretische Feuchte
Die theoretische Feuchte setzt sich aus der Feuchte der unbeleimten Fasern und der Menge
Wasser im hinzugefügten Bindemittel zusammen. Bei einer zu hohen Feuchte ist das beleimte
Fasermaterial vor dem Verpressen noch zu trocknen, da sonst bei der Erwärmung zuviel
Feuchtigkeit in Form von Dampf entweicht. Dies hat Spalter und Platzer in der Platte zur
Folge. Berechnet wird die theoretische Feuchte mit Hilfe der summierten Lutrowerte (kg),
bestehend aus lutro Fasern (kg), lutro Bindemittel (kg) und lutro Zusatzstoffe (kg), und den
summierten Atrowerten (kg), bestehend aus atro Fasern (kg), atro Bindemittel (kg) und atro
Zusatzstoffe (kg).
(%))(
)()((%) 100x
kgAtrokgAtrokgLutro
FeuchteheTheoretisc∑
∑ ∑−=
8.2.7 Fasereinwaage / Ausgleichsfeuchte
Bei der Fasereinwaage der Mitteldichten Faserplatten sind zum einen das Volumen (cm³) und
die Rohdichte (g / cm³) der herzustellenden Faserplatten von Bedeutung. Zum anderen haben
die beleimte Feuchte der Fasern (%) und die spätere Ausgleichsfeuchte der Faserplatten (%)
Einfluss auf die benötigte Menge an Fasermaterial.
Multipliziert man die gewünschte Rohdichte mit dem theoretischen Volumen der Faserplatte,
so erhält man die benötigte Fasereinwaage (Fasereinwaage 1). Die beleimte Feuchtigkeit der
Fasern wird im nächsten Schritt noch zu der bereits errechneten Fasermenge 1 addiert
(Fasereinwaage 2). Da die Feuchtigkeit der Fasern in der Heißpresse verdampft, muss diese in
Form von Fasern hinzugerechnet werden um späterer die gewünschte Rohdichte zu erhalten.
Die Ausgleichsfeuchte (%) ist die Menge an Feuchtigkeit, die nach dem Verpressen der
Faserplatte noch im Material enthalten sein soll (Fasereinwaage 3). Dadurch soll eine spätere
258 Eidesstattliche Erklärung
Feuchtigkeitsaufnahme und auch das damit in Korrelation stehende Quellen und Schwinden
der Mitteldichten Faserplatten verhindert werden. Die Ausgleichsfeuchte der in dieser
Dissertation hergestellten Mitteldichten Faserplatten liegt bei 7 % bezogen auf die zuvor
errechnete Fasermenge (Fasereinwaage 2).
³)/(³)()(1 cmghteSollrohdiccmVolumenhesTheoretiscgageFasereinwa ×=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ×+=
(%)100(%))(1)(1)(2 FeuchtehetheoretiscgageFasereinwagageFasereinwagageFasereinwa
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ×=
(%))107((%)100)(2)(3
feuchteAusgleichsgageFasereinwagageFasereinwa
8.3 Berechnungen zur Ermittlung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Mitteldichten Faserplatten
8.3.1 Berechnung der Dickenquellung nach Wasserlagerung (DIN EN 317)
Die Dickenquellung Gt jedes Prüfkörpers in Prozent der Anfangsdicke ist nach folgender
Formel zu berechnen und auf eine Dezimalstelle anzugeben:
100xt
ttG
1
12t
−=
Dabei sind:
t1 = Dicke des Prüfkörpers vor der Wasserlagerung in mm
t2 = Dicke des Prüfkörpers nach der Wasserlagerung in mm
8.3.2 Berechnung der Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene (DIN EN 319)
Die Zugfestigkeit senkrecht zur Plattenebene, ft, wird anhand folgender Formel berechnet.
Dabei wird die Querzugfestigkeit für jeden Prüfkörper, angegeben in N/mm², auf zwei
Dezimalstellen berechnet.
bxaF
f maxt =
Anhang 259
Dabei sind:
Fmax = Bruchkraft in Newton
a, b = Länge und Breite des Prüfkörpers in mm
8.3.3 Berechnung der Rohdichte (DIN EN 323)
Die Rohdichte ς jedes Prüfkörpers, angegeben in kg/m³, ist nach folgender Formel zu
berechnen.
6
2110x
txbxbm
=ς
Dabei ist
m = die Masse des Prüfkörpers in g
b1, b2 = die Kantenlängen des Prüfkörpers in Höhe des Diagonalenschnittpunktes, gemessen
auf 0,05 mm
t = die Dicke des Prüfkörpers am Schnittpunkt der Diagonalen, gemessen auf 0,1 mm
8.3.4 Berechnung der Formaldehydabgabe von Holzwerkstoffen (DIN EN 120)
Die Ermittlung des Perforatorwertes, d.h. der Menge an ungebundenem Formaldehyd
(HCHO) die bei einer späteren Lagerung/Verwendung der Holzwerkstoffe als Emission aus
der Platte entweicht, erfolgt nach der in Kapitel 3.3.3.1 beschriebenen Perforator-Methode.
Die Formaldehydabgabe von unbeschichteten Holzwerkstoffen wird anschließend nach
folgender Formel berechnet. Der Perforatorwert wird dabei immer in mg HCHO/100 g atro
Platte angegeben.
H
BS
mVHfAA
PlatteatrogHCHOmgP
×+××−=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡ )()( 100100
Dabei sind:
P = Perforatorwert
AS = gemessene Extinktion der Probe bei 412 nm
AB = gemessene Extinktion des Blindversuches bei 412 nm
f = Steigungsfaktor der Kalibrierfunktion in Milligramm pro Milliliter
260 Eidesstattliche Erklärung
H = Feuchtegehalt der Probe in Prozent
V = Volumen des Messkolbens (2000 ml)
mH = Masse des Prüfkörpers in Gramm
8.4 Berechnungen Mykologie
8.4.1 Zusammensetzung von Nährmedien
8.4.1.1 BSM-Nährmedium
Tabelle 8-1: Zusammensetzung des BSM-Nährmediums
BSM-Nährmedium
Agar 15,00 g Stammlösung I
Glucose 5,00 g Fe(II)SO4 x 7 H2O 0,20 g
L-Asparagin 0,65 g Auf 1000 ml mit bidest. H2O auffüllen.
KH2PO4 1,00 g
MgSO4 x 7 H2O 0,50 g Stammlösung II
KCl 0,50 g Mn(CHCOO)2 x 4 H2O 0,16 g
Hefeextrakt 0,50 g ZnNO3 x 4 H2O 0,04 g
Stammlösung I 50 ml Ca(NO3)2 x 4 H2O 1,00 g
Stammlösung II 50 ml CuSO4 x 5 H2O 0,06 g
Auf 1000 ml mit bidest. H2O auffüllen. Auf 1000 ml mit bidest. H2O auffüllen und
einen pH-Wert von 5,5 einstellen
8.4.1.2 Raulin-Nährmedium
Tabelle 8-2: Zusammensetzung Raulin-Nährmedium
Raulin-Nährmedium
Agar 15,00 g
Weinsäure 2,65 g
Ammoniumnitrat 2,65 g
Ammoniumphosphat 0,40 g
MgCl2 0,26 g
Ammoniumsulfat 0,16 g
Anhang 261
ZnSO4 x 7 H2O 0,045 g
FeSO4 x 7 H2O 0,045 g
Kaliumcarbonat 0,40 g
Glucose 33,40 g
Auf 1000 ml mit bidest. H2O auffüllen und einen
pH-Wert von 5,5 einstellen.
8.4.1.3 MYA-Nährmedium
Tabelle 8-3: Zusammensetzung MYA-Nährmedium
MYA-Nährmedium
Agar 15,00 g
Glucose 4,00 g
Malzextrakt 10,00 g
Hefeextrakt 4,00 g
Auf 1000 ml mit bidest. H2O auffüllen.
8.4.1.4 MPA-Nährmedium
Tabelle 8-4: Zusammensetzung MPA-Nährmedium
MPA-Nährmedium
Agar 15,00 g
Malzextrakt 20,00 g
Pepton 5,00 g
Auf 1000 ml mit bidest. H2O auffüllen.
262 Eidesstattliche Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich gemäß § 4 (2e) der Promotionsordnung des Fachbereichs für
Forstwissenschaften und Waldökologie der Georg-August-Universität Göttingen vom
08.01.1986, das ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst habe und keine anderen als
die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.
(Christian Schöpper)
Curriculum vitae 263
Curriculum vitae
Name Schöpper
Vornamen Christian, Holger
Geburtstag 12.11.1974
Geburtsort Coesfeld, Nordrhein-Westfalen
Adresse Burgstrasse 10-12
37120 Bovenden
Familienstand Verheiratet
Staatsangehörigkeit Deutsch
Schulausbildung 1981 – 1985
Grundschule in Coesfeld
1985 – 1995
Gymnasium Nepomucenum, Coesfeld
Abschluss: Abitur
Militärdienst 1995 – 1996
Grundwehrdienst im Fernmeldewesen
Studium 1996 – 2002
Studium der Forstwissenschaften und Waldökologie an der Georg-August-Universität Göttingen
„Forstwissenschaften und Waldökologie“
Abschluss: Bachelor of Science
„Holzbiologie & Holztechnologie“
Abschluss: Master of Science
Dissertation 2002 – 2006
„Entwicklung eines naturnahen Bindemittels aus nachwachsenden Rohstoffen auf Proteinbasis zur Herstellung von Mitteldichten Faserplatten (MDF)“
Sprachkenntnisse Englisch in Wort und Schrift
EDV-Kenntnisse Sicherer Umgang mit den Programmen MICROSOFT WORD, EXCEL, ACCESS und POWERPOINT